研究生認為，名為”史蒂夫”和”籬笆”的現象偽裝成了極光。閃爍著綠色、紅色和紫色光芒的南北極光–極光–可能是照亮夜空的最著名現象，但最神秘的是被稱為”史蒂夫”的淡紫色和白色條紋，以及它們的常伴–發光的綠色”籬笆”。

正常的極光（左圖）由紅、綠、藍三色光幕組成。增強型極光（右圖）包含一個更亮的薄層，它呈現出更多的綠色，可能是由產生史蒂夫和籬笆的相同物理過程引起的。由於增強型極光更為常見，加州大學柏克萊分校的研究人員計劃首先對其進行探測，以確定高層大氣中造成這種現象的條件。圖片來源：theauroraguy.com，Vincent Ledvina

史蒂夫–2006 年一部兒童電影中給可怕樹籬起的一個善意的名字–在2018 年首次被認為有別於常見的極光，儘管如此，人們仍然認為史蒂夫及其相關的籬笆是相同的物理過程所造成的。但是，科學家們對這些發光體是如何產生的卻一直撓頭。

加州大學柏克萊分校物理學研究生剋萊爾-加斯克（Claire Gasque）現在為這些現象提出了一種物理解釋，這種解釋與眾所周知的極光產生過程完全不同。她與該校太空科學實驗室（SSL）的研究人員合作，建議美國國家航空暨太空總署（NASA）向極光中心發射一枚火箭，以探討她的觀點是否正確。

隨著太陽進入其 11 年周期的活躍期，像史蒂夫和籬笆這樣生機勃勃的極光和發光現象變得越來越常見，11 月是北緯地區觀測史蒂夫的好月份。由於所有這些瞬時發光現像都是由太陽風暴和太陽日冕物質拋射引發的，因此即將到來的太陽極大期是研究史蒂夫和柵欄等罕見現象的理想時機。

加斯克在上個月發表在《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）雜誌上的一篇論文中描述了籬笆背後的物理學原理，並將於12月14日在舊金山舉行的美國地球物理聯盟會議上發表特邀演講，討論相關成果。她計算出，在比極光形成區域更南方的高層大氣區域中，與地球磁場平行的電場可以產生籬笆層析。如果計算正確，這個不尋常的過程將對物理學家如何理解地球磁層與太空邊緣電離層之間的能量流動產生影響。

加斯克說：”在某些情況下，這將顛覆我們對光和極光中的能量產生原因的建模。克萊爾的論文真正有趣的地方在於，幾年前我們就知道史蒂夫的光譜告訴我們有一些非常奇特的物理現象正在發生。我們只是不知道那是什麼，”論文的共同作者、SSL助理研究物理學家布萊恩-哈丁（Brian Harding）說。 “論文表明，平行電場能夠解釋這種奇怪的光譜。 “

這篇論文是加斯克博士論文中的一個副項目，其研究重點是地球表面的火山等事件與我們頭頂上方 100 公里或更高處的電離層現象之間的聯繫。

但在 2022 年的一次會議上聽說了史蒂夫（Steve，現在已成為”強熱發射速度增強”的縮寫）之後，她研究了史蒂夫和籬笆背後的物理學。這是目前太空物理學中最大的謎團之一。

史蒂夫與籬笆的物理學原理

當太陽風為地球磁層中的粒子通電時，就會產生常見的極光。這些通電粒子繞著地球磁力線向兩極盤旋，在那裡撞擊並激發高層大氣中的氧氣和氮氣分子。當這些分子鬆弛時，氧氣會發出特定頻率的綠光和紅光，而氮氣會產生一點紅光，但主要是藍光。

由此產生的五顏六色、閃閃發光的簾幕可以在南北緯度上綿延數千公里。

然而，史蒂夫顯示的不是單獨的發射線，而是以紫色或淡紫色為中心的廣泛頻率範圍。與極光不同的是，史蒂夫和籬笆都不發射藍光，藍光是由高能量粒子撞擊氮並使其電離產生的。史蒂夫和籬笆也出現在比極光更低的緯度，甚至可能出現在赤道以南。

一些研究人員提出，”史蒂夫”是由高層大氣中的離子流引起的，這種離子流被稱為”副金牛座離子漂移”，但對於”副金牛座離子漂移”如何產生五顏六色的輻射，目前還沒有公認的物理解釋。

有人認為籬笆的輻射可能是由與地球磁場平行的低空電場產生的，而這種情況被認為是不可能的，因為任何與磁場對齊的電場都會很快短路並消失。

隨後，加斯克利用電離層的普通物理模型證明，在大約110 千米的高度上，一個適度的平行電場–大約每米100 毫伏–可以將電子加速到激發氧和氮的能量，並產生從籬笆上觀測到的光譜。此區域的異常條件，如帶電等離子體密度較低，氧和氮的中性原子較多，有可能起到絕緣作用，防止電場短路。

“如果你觀察籬笆的光譜，它比你想像的要綠得多。沒有氮電離產生的藍色，”加斯克說：”這告訴我們，只有特定能量範圍的電子才能產生這些顏色，它們不可能來自太空，也不可能進入大氣層，因為這些粒子的能量太大了。相反，籬笆上的光是由粒子產生的，這些粒子必須在太空中被平行電場激發，這與我們之前研究或了解的任何極光的機製完全不同”。

她和哈丁懷疑史蒂夫本身也可能是由相關過程產生的。他們的計算也預測了這個過程會產生的紫外線輻射類型，透過檢查可以驗證關於籬笆的新假設。

雖然加斯克的計算並沒有直接解決使這一現像看起來像籬笆的開關發光問題，但她說，這很可能是由於電場的波浪變化造成的。雖然被電場加速的粒子可能不是來自太陽，但太陽風暴對大氣層的擾動可能會觸發史蒂夫和柵欄，就像普通極光一樣。

增強極光呈現出類似籬笆的光芒

哈丁說，下一步是在阿拉斯加發射一枚火箭，穿過這些現象，測量電場和磁場的強度和方向。 SSL 的科學家們專門設計和製造了這種儀器。這些儀器中有許多都安裝在環繞地球和太陽運作的太空船上。

最初的目標是所謂的增強極光，即在普通極光中嵌入類似柵欄的發射物。

“增強極光基本上就是嵌入正常極光的明亮層。其顏色與柵欄相似，沒有那麼多藍色，更多的綠色來自氧氣，紅色來自氮氣。加斯克說：”我們的假設是，這些極光也是由平行電場產生的，但它們比籬笆常見得多。 “

研究人員的計劃不僅是”讓火箭飛過那個增強層，首次實際測量這些平行電場”，而且還要發射第二枚火箭，在更高的高度測量粒子，”以區分造成極光的條件”。最終，希望火箭能直接穿過史蒂夫和籬笆。

今年秋天，哈丁、加斯克和同事們向美國國家航空暨太空總署（NASA）提出了這樣一個探空火箭計劃，並希望在2024年上半年收到有關其選擇的回應。加斯克和哈丁認為，這項實驗是了解高層大氣、電離層和地球磁層的化學和物理學的重要一步，也是符合美國國家航空暨太空總署（NASA）為此類計畫贊助的低成本進入太空（LCAS）計劃的一項提議。

哈丁說：”可以說，未來會有很多關於這些電場是如何產生的，它們與什麼波有關或無關，以及這對地球大氣層和太空之間更大的能量轉移意味著什麼的研究，目前我們真的不知道，而克萊爾的論文是實現這個認識的第一步。 “

加斯克對研究中間電離層（即中間層）和平流層的人員提供的意見表示感謝，他們的想法幫助她找到了解決方案。

編譯來源：ScitechDaily