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天文学家看到极光时的感受和普通人有什么不一样?

Noel_Bauza / CC0

自然界中有哪些十分浪漫的现象?

狐狸先生

谢邀。

天文学研究者对天文现象的浪漫感受可能和普通人不太一样。我大学时的一个朋友在带着他的朋友去野外看流星雨的时候,录下了他们看到流星划过时尖叫的声音,想要借此证明叫声的频率和流星的亮度存在良好的函数关系。我部分理解他的感受,毕竟当朋友们对着流星雨尖叫或者许愿的时候,你很难不想到这些划过天际的美丽天体究其根本不过是一些石块在和大气层摩擦而已。当然,如果足够大的话它可以毁灭地球上大多数的生命。例如那颗大概 10 公里的灭绝了恐龙的流星。从北美一只三角龙看到它,到它撞击地面激起泼天大火大概只过了 5 分钟。

不过有的天文现象会让你脑子中不合时宜的知识开关直接关闭,只剩下对自然造物神奇的赞叹。比如,极光。如果你有幸在北极圈附近的国度如果挪威,冰岛,或者美国的阿拉斯加等地旅游,而恰好天气晴朗,那一定不要错过在夜晚找一个远离灯火的地方看看极光。那种宛若来自魔幻世界的摇曳光芒,会让一切电动力学,等粒子物理滚到天际去(图一)。

图 1 加拿大北部极光 PHOTOGRAPH BY NORBERT ROSING https://www.nationalgeographic.com/photography/photos/patterns-aurorae/

过一会以后,这些知识当然又会回到你的大脑。但这无损极光的美丽,反而更让你更加意识到自己看到的是多么令人震撼的景象。你知道这些极光的能量来自于太阳风。太阳米秒钟向宇宙中倾泻超过 4 百万吨的物质,这些物质主要是带电粒子,包括氢原子核和氦原子核以及电子。这些高速飞行的粒子中有极少的一部分来到地球以及其他太阳系的行星,当太阳风和行星大气相互作用,就会激发行星大气中的原子使得它们发光。以地球为例,红色的极光自于氧原子激发,绿色的极光则是大气中氮分子和氧原子联手制造出来的。

图 2 飞机上看到的极光 http://smashinglife.co.uk/wp-content/uploads/2016/01/window-seat.png

同时你意识到你大老远的跑到冰岛这样一个寒冷的来看极光是有着深刻的物理含义。因为地球的极光一个重要的特点是只在靠近南北极的地方发出。这样是因为地球具有磁场,当太阳风中的带电粒子吹向地球,它们无法穿越地球磁场防护罩直接进入大气,而是被磁力线输送到地球磁场的两极去。因此,这些来自太阳风的高能粒子,会集中在南北极的特定区域进入大气层,也就是距离磁南北极 10 度左右的环带。如果你恰好坐在飞机上穿越极光带,能够更好的理解极光的宇宙起源,它看起来就像是燃烧在空间中的火焰(图 2)。 有趣的是,极光并不覆盖整个极圈,发光的区域是两个环形带(图 3),呈橄榄形,这也意味着你要是真的跑到北极点去,反而看不到这样的美景。

图 3 NASA 卫星从空间中拍摄的极光带图像和地球图像合成照片。https://en.wikipedia.org/wiki/Aurora#/media/File:Aurora_australis_20050911.jpg

在天文学角度来看地球的极光,这绝不是并不是一件平凡的事情。行星并不天然就获得磁场。形成磁场需要行星内部有尚未凝固的液态金属核,需要有自转来维持磁场的存在。这也是为什么地球的磁南北极正好和地球的地理南北极几乎重合的原因。太阳系里,和地球差不多的行星中,金星没有自转,火星可能没有液态金属内核,都无法形成强有力的磁场。它们几乎是直接暴露在太阳风之中(图 4)。金星和火星上,极光并不只在两极出现。

地球磁场阻止了太阳风中的有害高能粒子进入地球大气,从短期来看,如果地球磁场被关闭了,人类不会面临立刻的威胁。因为大气仍然可以保护人类不暴露在太阳风高能粒子中,但是空间中的通讯卫星会受到巨大的影响,这也会威胁到宇航员的安全。但是从地球演化的亿万年的尺度上看,磁场保护了地球水和氧气的流逝,保护了地球大气的稳定存在,大大减轻地球的生命演化威胁。

关闭磁场的效应可能需要相当长的时间才能够显现。但金星可以作为参照。金星与地球同为类地行星,大小几乎相同,犹如孪生姐妹。在远古时代金星可能有一段时期存在液态水形成的海洋以及温和的气候,和地球同样可能孕育生命。但它不再有任何适宜生命存在的迹象。金星如今好像一个高温的压力锅,表面温度达到 700 摄氏度,终日由硫酸形成的云层笼罩。这样的结局是因为金星可能经历了“失控的温室效应”。在这个过程中,金星海洋中的水被不断的蒸发,而大气中的水蒸气又加剧了对地面热量的屏蔽,使得温室效应进一步加剧,温度升高,更多的水分蒸发。而金星的磁场缺失使得情况更加恶化,因为当水蒸气进入大气高层,水分子被紫外线分解为氢和氧原子。在没有磁场保护的情况下,前者会被毫无阻拦的太阳风带入宇宙空间,从而使得金星永远的失去这部分水。

图 4 欧洲航天局(ESA)绘制的艺术图,展示了沐浴在太阳风中的类地星球。地球的磁场在非常大的空间范围抵御了了太阳风的侵袭,火星和金星则被太阳风“贴面吹过” http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/02/Terrestrial_planet_magnetospheres

所以当我看到极光的美丽图景时,感受到的不仅仅是审美上的愉悦,也包括来自智识的感动。这种在空间中燃烧的火焰,也是地球被自转产生的磁场保护的证据。是地球众多微妙复杂平衡机制中的一环。和其他大多数的平衡机制类似,一但磁场消失,人类完全束手无策。而这个磁场会在相当长的时间里保护地球,但也许并没有很多人想想中稳固,在有地质记录可查的时代,这个磁场已经经历了多次的反转。设若这磁场一旦消失,我们也没有任何已知的方法来重生另外一个。而在我们已知的星球中,没有任何一个像地球这样适宜人类的生存,更不要提在过去的 50 年里,地球人的太空航行技术都没有质的飞跃。一旦我们生存的地球出了问题,我们几乎没有办法达到这些潜在的家园。正如卡尔萨根在他的名著《暗淡蓝点》中的说到的:人们渴望一位天父来管照我们,宽恕我们的错误。但知识比无知更为重要,只有我们自己的勇气和智慧能够守卫我们脆弱的星球。