科學家在了解照亮夜空的耀眼極光方面取得了突破性進展。利用NASA的KiNET-X實驗，研究人員透過向電離層釋放鋇來模擬極光條件，產生等離子體雲和阿爾弗波。 這些波將能量傳遞給電子，模仿地球極光背後的條件。 雖然沒有產生可見的極光，但該實驗提供了有關電子加速和等離子體動力學的關鍵數據，為產生這些令人驚嘆的現象的過程提供了線索。

2024年4月21日週日清晨，北極光點綴著阿拉斯加大學農林試驗站的天空。 圖片來源：UAF 攝影：Eric Engman

揭開舞動極光的秘密

阿拉斯加大學費爾班克斯分校科學家領導的一項2021 年實驗發表的最新研究成果，為我們提供了點亮天空的快速移動極光背後的粒子級過程的新見解。

動能尺度能量與動量傳輸實驗（KiNET-X）於2021年5月16日從美國太空總署位於維吉尼亞州的沃勒普斯飛行設施發射升空。 這次任務是在為期九天的發射窗口的最後時刻進行的。

美國空軍大學教授彼得-德拉米爾（Peter Delamere）對實驗結果進行了分析，並在《等離子體物理學》雜誌上發表了他的研究成果。

德拉米爾解釋說：”炫目的燈光極其複雜。”那裡發生了很多事情，地球空間環境中也發生了很多事情，這些都導致​​了我們的觀測結果。要理解系統中的因果關係極為困難，因為我們不知道太空中究竟發生了什麼，導致我們觀測到極光的光。 “KiNET-X是一次非常成功的實驗，它將揭示更多極光的秘密。”

2021年5月16日，一枚攜帶KiNET-X實驗的BlackBrant XII探空火箭從美國太空總署位於維吉尼亞州的沃勒普斯飛行設施發射升空。 圖片來源：由特里-扎佩拉奇（Terry Zaperach）拍攝的美國國家航空暨太空總署照片

火箭科學在行動： 鋇與電離層

美國國家航空暨太空總署最大的探空火箭之一在大西洋上空翱翔，進入電離層並釋放了兩罐熱敏鋇。 然後，這兩個罐子被引爆，一個在約249 英里的高空，另一個在90 秒後於百慕達附近約186 英里的下行軌道上被引爆。 百慕達地面和美國國家航空暨太空總署的一架研究飛機對由此產生的雲層進行了監測。

實驗的目的是在微小的範圍內複製太陽風的低能量變成高能量的環境，在這種環境中，快速移動和閃爍的幕布被稱為離散極光。 透過KiNET-X，德拉梅爾和參與實驗的同事們更接近了解電子是如何加速的。

德拉梅爾說：”我們產生了通電電子，只是沒有產生足夠多的電子來製造極光，但與電子通電相關的基礎物理學在實驗中是存在的。”

產生阿爾弗文波： 等離子體擾動

實驗的目的是產生阿爾弗文波，這是一種存在於磁化等離子體中的波，如在太陽外層大氣、地球磁層和太陽係其他地方發現的等離子體。 等離子體（一種主要由帶電粒子組成的物質）也可以在KiNET-X 等實驗室和實驗中產生。

當等離子體中的擾動影響磁場時，就會產生阿爾芬波。 等離子體擾動的起因多種多樣，例如太陽耀斑突然注入粒子或兩個密度不同的等離子體相互作用。

KiNET-X 透過向遠高層大氣中註入鋇來幹擾環境等離子體，陽光將鋇轉化為電離等離子體。 兩個等離子體雲相互作用，產生了阿爾弗文波。

阿爾弗文波瞬間產生了與行星磁場線平行的電場線。 而且，正如理論上所說的那樣，這種電場極大地加速了磁場線上的電子。

德拉梅爾說：”這表明鋇等離子體雲與環境等離子體發生了耦合，並在短暫的瞬間將能量和動量傳遞給了環境等離子體。”

2021年5月16日，太陽的電離作用將大西洋上空KiNET-X實驗的綠色鋇雲變成了紫色。 資料來源：Don Hampton

這種轉移表現為一小束加速的鋇電子沿著磁場線向地球飛去。 這束電子只在實驗的磁場線數據中可見。

德拉米爾說：”這類似於極光電子束。”他稱之為實驗的”黃金數據點”。在資料影像中，光束只能以深淺不一的綠色、藍色和黃色像素的形式出現，對光束的分析可以幫助科學家了解粒子是如何產生舞動的北極光的。

迄今為止的結果表明這是一個成功的項目，甚至可以從它的前身實驗中收集更多的資訊。這是一個利用所有資料產品和數值模擬拼湊全貌的問題。

編譯自/ scitechdaily