來自太陽的電子在地球上空3萬公里高空產生的電能推動下，最終形成了南北極光的耀眼顯示。根據《科學報告》雜誌上的新研究，極光的一個關鍵成分存在於比以前認為的更高的空間。極地夜空中炫目的光影顯示需要一個“加速器”來推動帶電粒子穿過大氣層。名古屋大學的科學家和日本、台灣地區和美國的同事發現，它存在於地球表面3萬公里以外的地方，不僅對地球，而且對其他星球也有類似的作用。

極光的形成始於超音速等離子體以高速、帶電粒子的形式從太陽推向太空。當這些帶電粒子接近地球時，它們會沿著地球的磁場線發生偏轉和漏斗，最終流向兩極。

“磁層中的大多數電子並沒有到達高層大氣中被稱為電離層的部分，因為它們被地球磁場所排斥，”名古屋大學空間地球環境研究所的今城順解釋說，他是這項研究的第一作者。

但一些粒子得到了能量的提升，加速它們進入地球的高層大氣，在那裡它們與高度約100公里的氧原子和氮原子發生碰撞並激發它們的活力。當這些原子從激發狀態放鬆後，就會發出極光。不過，關於這個過程的許多細節仍然是個謎。”我們暫時還不知道加速電子進入電離層的電場是如何產生所有細節，甚至不知道它離地球有多高，”今城順說。

科學家們曾假設電子加速發生在地球上方1000至20000公里的高度。但這項新研究卻揭示了加速區域實際上會延伸到3萬公里以外。”我們的研究表明，加速極光粒子的電場可以沿著磁場線存在於任何高度，而不限於幾千公里處電離層和磁層之間的過渡區域，這表明，未知的磁層機制正在發揮作用。”

該團隊通過研究來自美國和加拿大的地面成像儀和日本衛星Arase上的電子探測器的數據得出了這一發現，Arase是一顆研究地球內磁層輻射帶的衛星。這些數據取自2017年9月15日，當時Arase處於約3萬公里的高度，並位於薄薄的活躍極光弧內數分鐘。該團隊能夠測量電子和質子的上下運動，最終發現電子的加速區域從衛星上方開始，並延伸到衛星下方。

為了進一步研究這個所謂的極高空加速區域，該團隊下一步的目標是分析多個極光事件的數據，比較高空和低空觀測數據，並進行電動勢的數值模擬。了解這種電場是如何形成的，將為理解地球和其他行星（包括木星和土星）上的極光發射和電子傳輸填補空白。