聽見極光

• 本文編譯自《Physicists explain how type of aurora on Mars is formed》

形成極光的要素有三，其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場，可以在兩極地區生成北極光和南極光；然而，火星沒有覆蓋全球的磁場，因此火星上的極光並非出現在兩極，只能在特定區域生成。

近期，愛荷華大學領導的研究團隊，根據美國航空暨太空總署（NASA）火星大氣與揮發物演化任務（MAVEN）探測器的數據，確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成。

極光三要素：大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前，讓我們先把鏡頭轉到地球，談談地球上的極光在哪裡形成，以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區（auroral oval），涵蓋北極與南極地區，但並非以兩極為中心；換句話說，極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外，極光橢圓區的寬度與延伸範圍，會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引，沿著磁力線加速往高緯度地區移動，最後和大氣中的原子碰撞時，就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述，可以得知極光的三個要素是：大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」，若屬於可見光波段，就能用肉眼觀測，並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍，綠色區域則為極光橢圓區。圖／National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前，得先介紹它的幕後推手——行星際磁場（Interplanetary Magnetic Field，IMF）。IMF就是太陽風產生的磁場，在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化，並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢？當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播，會同時拖曳太陽的磁力線一起離開；太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子，讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話，太陽就像是在轉盤上的蛋糕，太陽風粒子就是擠花裝飾；而當蛋糕一邊以固定速度自轉，擠花逐漸向外擴散的同時，就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

對太陽風和 IMF 有基本認識之後，讓我們把鏡頭轉向火星，談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說，火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層，強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態，導致大氣層的散失；該過程稱作濺射（sputtering），發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一，在 IMF 的作用之下，部分的離子會環繞磁力線運動，隨著 IMF 移動而被帶離火星；另外一部份的離子則像撞球一般，撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子，引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明，根據團隊研究的成果，太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離，並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素（質子數相同，但是質量不同的元素）以氬-38 以及氬-36 為主，後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比，Jakosky 的團隊推估火星約有 65％ 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形；其中又以二氧化碳為焦點，畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在，而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

接著，讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢？這要先從行星發電機理論開始說起，該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例，地核內部保留了地球形成初始的熱能，約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵，因為密度下降而上升至地核頂端，接觸到地函時，這些液體會喪失部分熱能而冷卻，因為溫度比周圍環境低，密度變高而下沉；如此不斷的熱對流循環下，讓帶有磁力的流體不斷運動，進而形成電磁感應。另外，科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向，產生螺旋狀的流動效果，有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示，火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關，在火星形成之初散熱較快，造成火星外核液態鐵短時間內就凝固，無法像地球一樣，保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化，不斷從地核深處上升至地函，再冷卻下降，持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力，導致火星內部的發電機幾乎停止運轉，無法形成全球的磁場。話雖如此，火星仍然具備小區塊的磁場，主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

磁層與大氣層相互依存，火星在太陽風不斷吹襲之下，大氣層愈趨稀薄；火星內部又缺乏發電機的動力，無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護，就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢，因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣，看似缺乏極光形成要素的火星，又是如何形成極光的呢？

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護，但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡，磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用，滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」，與地球上常見的極光不同，有些發生在人眼看不見的波段（比如紫外線），所以也更加提升了觀測難度。

那麼，研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢？那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀（Imaging Ultraviolet Spectrograph，IUVS）！

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家，他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果，比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場（IMF）強度、時鐘角和錐角^{[註 1]} 以及火星上極光的紫外線，發現在磁場較強的地殼區域內，極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向；反之，區域外的極光發生率則與太陽風動壓（Solar Wind Dynamic Pressure）關聯較高，但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到，在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內，當 IMF 的時鐘角呈現負值，如果正逢火星的傍晚時刻，較容易觀測到離散極光；也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯（Magnetic Reconnection）——意即磁場斷開重新連接後，剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量（如動能、熱能等）加以釋放，例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向：移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關，而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料，也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果，主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光；以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想，火星是目前人類圓夢的最佳選擇；但是在執行火星移民計畫之前，火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護，生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果，科學家們將發掘新的突破點；期許在不久的將來，我們能找到火星適居的鑰匙。

• 註1：IMF 的時鐘角（Clock Angle）與錐角（Cone Angle）

如何判定 IMF 的角度呢？因為磁場空間是立體的關係，我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念，來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上，IMF 方向與 Z 軸的夾角；而錐角則是在 X、Y 平面上，IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

參考資料

1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫。
7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的？物理學家有新發現，帶你揭秘。
8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平。
9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的？ 科學家解謎。
10. BBC News 中文。北極光：美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理。
11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風。
12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖，證實火星有磁場。科技新報。
13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集。
14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.

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超來電小倉鼠  #25 皮卡丘

皮卡丘之於寶可夢世界就像米老鼠之於迪士尼（乁～都是老鼠？），身為圖鑑上第一隻遇到的電氣系神奇寶貝，牠的內容可說是煥然一新，充滿各種對「電」特別敘述和幻想。例如：

「幾隻皮卡丘湊在一起可以造成閃電風暴」（紅、藍、葉綠版）

「靠牠的尾巴偵測四周，閃電有時候會打到尾巴」（銀、魂銀、X 版）

「很聰明，會用電烤熟漿果讓它更好吃」（金、心金版）

看起來任何一個圖鑑中的敘述，都是真實世界的電、磁真的有可能辦到的事（註1）。在寶可夢世界中，皮卡丘能夠控制從微弱到強大的電力，但與我們的主人翁小智日常生活最相關的大概是這個敘述：

「用兩頰儲存電力，當睡覺的時候會充電，起來時昏昏沉沉有時候會有電力釋放」（註2）。

我沒記錯的話，皮卡丘似乎都是在小智的懷中（或附近）睡覺的，如果牠平時就電力超群，而且特別在這種時候無法控制電力釋放的話，小智有沒有可能有生命危險呢？

擁有儲存電力功能的物品，如皮卡丘的臉頰，被稱為電容器，在現在的電路系統中很常見。討論一個電容器的電容率大小，類似於討論彈簧的彈性係數會因為彈簧本身材質等條件而有不同，電容大小也會因電容器而異，跟材料、填充率、兩片電極之間遠近都有關。

電容（C）單位為法拉，1 法拉的電容器，在正常操作範圍內，每增加 1 伏特的電壓可以多儲存 1 庫侖的電荷。電容可由以下得知

C = q/V　（q 為電極板上的電荷，單位為庫侖；V 為之間的電壓，單位為伏特）（註3）

要計算皮卡丘的電容，現在我們需要知道的是該以牠的哪個放電現象做為最強的基準？

在綠寶石版的圖鑑中有這麼一句話：「皮卡丘臉頰儲存的電力可以依程度放出來，差不多等於閃電的電力。」好～那我們就把閃電的強度當作基準吧！

在空氣中，一公尺內產生 100 萬伏特以上的電場時，就會開始產生電弧（electric arc），大氣中的連續釋放的強大電弧就是閃電（註4）。

如果皮卡丘釋放的就是整串的電弧，所需時間跟閃電一樣僅 0.2 秒，一般的閃電電量為 15 庫倫，較強力的閃電甚至可以達到 350 庫倫（註5），而電壓介於 1000 萬到 1 億伏特，如果我們取最強的閃電數據，帶入上面的公式做計算。

假設皮卡丘的臉頰純存了最強大的閃電，他的電容將為 3.5 微（10^-6）法拉。

這其實算是相當合理的數字，一般常見或時常使用的電路中，電容大小通常都是在微法拉的範圍內，所以皮卡丘並沒有特別誇張。硬要比較的話，人體的電容為 400 微微（10^-12）法拉。

圖鑑中表示皮卡丘藉由睡覺來充電，在這樣的情況下能充電的來源只有一個——靜電，就像用氣球摩擦頭髮一樣，甚至閃電本身就是大氣中的靜電釋放。

靜電力的釋放，也就是皮卡丘的大部分絕招可以用一下公式得到

E = C V²/2（E 為能量，單位為焦耳）

如果要使出名副其實的閃電，能量將為 35,000,000,000 焦耳（350 億焦耳）。

雖然圖鑑上說大部分的皮卡丘可以控制自己的電流釋放，不過如果這電力屬實，那一隻皮卡丘就相當危險了，350 億焦耳的能量差不多等於 8.37 噸黃色炸藥，如果幾隻皮卡丘聚在一起別說閃電風暴了，大概森林都沒了。（註6）

想來每一個晚上小智抱著皮卡丘睡覺時，一定心裡在默默祈禱，希望他的好夥伴有一個好夢，要不然明天早上地上不是一具焦屍，就是一個巨大的彈坑……

編註：

1. 和其他討論過的神奇寶貝相比，皮卡丘的圖鑑內容獨特性真的很高，22 個圖鑑版本中有 11 種不同的敘述。其他很有趣的還有紅寶石版「當皮卡丘遇上新東西時，先用電流電一下再說。如果你看到焦黑的漿果，表示有皮卡丘沒拿捏好電力」；白金、黑、白版「可以幫其他身體虛弱的皮卡丘充電」……等，但還是比較多聚焦在他們的臉頰上，如生氣會放電、如果有火花你要小心之類的，我還是很想知道為什麼要是紅色的？
2. 這讓我很好奇，如果皮卡丘睡覺抽筋會怎樣？抽筋有時是身體內神經傳導電流稍微短路，使肌肉不正常收縮的現象，如果皮卡丘睡覺睡到抽筋，他們會不會開始亂放電一通？如果顏面麻痺呢？真好奇~
3. 這裡 Scientific Pokemon 是用兩個導體間的自電容來做計算，但從觀察來看，皮卡丘的電容器就是牠的臉頰，這形狀應該是比較接近球形或圓盤。
4. 閃電打下來前，會經由一個叫做 Step Leader 的導閃引導，整個過程可以想像成一個直徑 60 公尺的大圓球在大氣中不斷偵測有接地或耗能最少的傳導途徑，等確定位置之後閃電再循著路徑打下來，整過過程到命中地上（或是其他東西）在幾毫秒內就會完成。
5. 若導線中載有 1 安培的穩定電流，在 1 秒內通過導線橫截面積的電量為 1 庫侖（），一般我們摩擦東西產生靜電的電量只有微庫倫尺度而已，所以皮卡丘應該要睡很~久才能達到文章中的程度。
6. 如果這個能量能用在能源上不知道會如何？有興趣的人可以參考 PTT 的「要多少隻皮卡丘才能供應台灣所有電力？」

參考資料：

1. Scientific Pokemon
2. National Weather Service Lightning Safety Home Page
3. Wikipedia （電容、庫倫、閃電、炸藥當量）
4. Pokemon Database

極光源自於太陽，自太陽抛出的高能粒子（也稱為太陽風），在接近地球時撞擊了上層大氣中的原子或離子而產生這般燦爛的天象。極光的顏色則是由於大氣中的原子吸收撞擊能量後再以發光的方式釋放出這些能量，因原子的不同產生了綠色或藍色各種不同的顏色的極光。大氣主要由氮（78%）與氧（22%）所組成，綠色光是來自氧原子被外來電子撞擊後，本身電子被激發至高能階激態，再放出光子躍遷至低能階。當原子離開激態所放出的光子為單一頻率的綠光，我們就看到了綠色的極光。極光大約在400～1000公里的高空即已發生，但是在100公里以下時，由於大氣太過濃密而使原子本身的碰撞都無法放出足夠的光，在低高度處，氮則會放出紫色、藍色與紅色的光，由於氮原子放出光子較快，所以極光較低的部分看起來比高處移動要快。較慢的部分主要是由氧原子放出的光。

通常極光會同時發生於地球的南北極，除此之外太陽系的其他行星也有極光的現象，如下圖是哈柏太空望遠鏡於1998年以紫外光拍攝的木星極光，另外一張是2004年1月哈柏太空望遠鏡以紫外光拍攝的土星極光。

下方是歐洲太空總署的太空人Alexander Gerst 從國際太空站400公里高的軌道上拍下了這張全球最佳角度的極光照片。位於影像左側亮藍色的連續區域是太陽的餘暉，其上的黃色線條是受到地球大氣反射的陽光，這條帶狀的薄層正是保護地球免於受到太陽強烈幅射傷害的重要區域。影像前方是收縮起來的太空站機械手臂，正在等待下一次運補作業將送進來這個低重力實驗室的補給及設備。

Alexander Gerst 原是地球物理及火山的專家，於2009年成為ESA （Euro Space Agent）的太空人，在藍點任務（Blue Dot mission）中主持物理、生物、人類生理學、幅射研究及示範技術的延伸研究計劃。所有在這個世外實驗室執行的研究計劃，其結果將運用於未來探側太陽系及改善人類生活等目的。

資料來源：2014.09.16, Alan Yang

• Rainbow aurora ／2014.09.16
• Space Aurora ／2014.09.09

本文轉載自 網路天文館

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• 聽見極光
• 太陽打噴嚏，地球剉著等