最新研究顯示，常規(guī)風(fēng)暴測(cè)量指標(biāo)可能低估了地磁活動(dòng)的真實(shí)強(qiáng)度，這可能給近地軌道衛(wèi)星運(yùn)行帶來(lái)影響。

日本夜空中偶爾會(huì)飄過(guò)一層淡淡的深紅色霧光，乍看之下并不起眼，但如今，它正成為一項(xiàng)研究的核心對(duì)象，并悄然改變科學(xué)家衡量太空風(fēng)暴強(qiáng)度的方式。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些紅色極光向大氣層高處延伸的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出產(chǎn)生它們的風(fēng)暴按常理應(yīng)能達(dá)到的高度。

這項(xiàng)研究由北海道大學(xué)和沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)的研究人員完成，發(fā)表于《空間天氣與空間氣候雜志》。研究考察了2024年6月至2025年3月期間在北海道觀測(cè)到的5次極光事件。結(jié)果顯示，這些極光大致延伸到距地表500至800公里的高度，明顯高于相近緯度極光通常對(duì)應(yīng)的200至400公里。

極光形成于太陽(yáng)拋射出的帶電粒子與地球磁場(chǎng)相互作用，并與高層大氣中的原子發(fā)生碰撞之時(shí)。在高海拔、氧氣稀薄的區(qū)域，這類(lèi)碰撞會(huì)產(chǎn)生一種典型的暗紅色微光。這一現(xiàn)象最常見(jiàn)于極地附近；而當(dāng)它出現(xiàn)在日本這樣的中緯度國(guó)家上空時(shí)，通常意味著較強(qiáng)的地磁風(fēng)暴。

這5次事件的異常之處，不僅在于極光高度，更在于伴隨它們出現(xiàn)的風(fēng)暴活動(dòng)其實(shí)并不算特別強(qiáng)。每一次事件都發(fā)生在科學(xué)家歸類(lèi)為“中等強(qiáng)度”的磁暴期間，其峰值Dst指數(shù)——這是一項(xiàng)衡量風(fēng)暴強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)——約在負(fù)62至負(fù)121納特之間。

研究人員提出了兩種機(jī)制，用以解釋為何常規(guī)測(cè)量可能低估了實(shí)際風(fēng)暴強(qiáng)度。第一種機(jī)制與稠密太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球磁層——也就是包圍地球的磁性屏障——的壓縮有關(guān)。當(dāng)這種壓縮足夠強(qiáng)時(shí)，會(huì)對(duì)Dst指數(shù)產(chǎn)生正向貢獻(xiàn)，使風(fēng)暴表現(xiàn)得沒(méi)那么負(fù)，因此看起來(lái)也就沒(méi)有實(shí)際那么嚴(yán)重。

第二種機(jī)制涉及磁層在受壓過(guò)程中帶電粒子的外流。這會(huì)擾亂環(huán)電流的對(duì)稱(chēng)發(fā)展，而Dst指數(shù)原本正是用來(lái)測(cè)量這種對(duì)稱(chēng)環(huán)電流的。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在全部5次事件中，另一項(xiàng)指標(biāo)ASYM－H——用于追蹤非對(duì)稱(chēng)環(huán)電流活動(dòng)——的峰值約為標(biāo)準(zhǔn)SYM－H指數(shù)振幅的1.3至2.0倍。這表明，這些風(fēng)暴強(qiáng)度一直被低估。

把這些極光事件聯(lián)系起來(lái)的關(guān)鍵因素，似乎是太陽(yáng)風(fēng)密度，而不是速度。與高密度、中等速度太陽(yáng)風(fēng)相關(guān)的風(fēng)暴——密度大致高于每立方厘米30個(gè)粒子——與北海道上空極光出現(xiàn)存在相關(guān)性。

相比之下，主要由高速太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)暴，即便產(chǎn)生了相近的動(dòng)力壓，也沒(méi)有出現(xiàn)同樣的效果。這意味著，密度在驅(qū)動(dòng)中緯度極光活動(dòng)和大氣加熱方面，可能發(fā)揮著一種獨(dú)特且過(guò)去未被充分重視的作用。

這種方法在專(zhuān)業(yè)觀測(cè)站受天氣影響的夜晚尤其有價(jià)值。研究人員表示，5次極光事件中有2次因云層遮擋，名古屋大學(xué)設(shè)在北海道的監(jiān)測(cè)站完全未能捕捉到，但分布式的公民觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)記錄下了這些現(xiàn)象。

這項(xiàng)研究的實(shí)際意義并不局限于大氣科學(xué)。在強(qiáng)烈地磁活動(dòng)期間，高層大氣會(huì)升溫并膨脹，近地軌道衛(wèi)星因此承受更大的大氣阻力，這會(huì)改變它們的軌道，并加速軌道衰減。

這一問(wèn)題在2022年引發(fā)關(guān)注。當(dāng)時(shí)，一場(chǎng)按傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)并未被歸類(lèi)為嚴(yán)重的地磁風(fēng)暴過(guò)后，38顆“星鏈”衛(wèi)星重新進(jìn)入大氣層。中山智宏說(shuō)：“隨著近地軌道衛(wèi)星數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，理解這些影響正變得越來(lái)越重要。”他還表示：“我們的結(jié)果有望幫助改進(jìn)空間天氣預(yù)報(bào)，并支持更安全的衛(wèi)星運(yùn)行。”