系外行星看極光：異世界有好風光

• 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.

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

延伸閱讀

• 聽見極光
• 太陽打噴嚏，地球剉著等

極光會發出聲音嗎？在天文迷之間早已是不陌生的趣味話題，有些人不以為然。當然，大多數的普通人，是絕不可能從自己耳朵直接聽得到極光聲音的，不過如果想挑戰這件不可能的事，一個小小的手持式「超低頻接收器」（VLF）就能幫你實現。下次碰到極光，別忘了親自體驗看看。

根據本文原作者Bob King目睹極光不下數百次的豐富經驗，他還從來沒有聽到過有些人所說的吱吱喳喳聲或嘶嘶聲。但是，證據顯示，在電聲傳導效應（electrophonic transduction）下，極光所釋放出的特低頻電波訊號，的確能經由一些周圍環境裡的換能體（transducer）被轉換為聲波。根據NASA實驗室結果，金屬框眼鏡、草地或捲捲頭的頭髮，很多東西都能扮演「換能體」的角色，而只要是任何會讓物體發生震動的VLF，也都能被轉換成聲波。此外，在流星觀測時也有紀錄顯示聽到過類似聲音，其中原理可能也相同。

人們「聽得到」極光？原因還有一個，就是：「想像力」。經驗法則上，凡是會移動的東西都會發出聲音。當頭頂上有壯觀的光在舞動，它會欺騙你的大腦，讓大腦自動它配上「音樂」。事實上，極光發生在距地面80公里以上的高空，那裏空氣稀薄到根本無法將任何微弱聲波傳達至你耳中。

像你我這樣正常的人，本來是享受不到聽見極光之「聲」這種特殊樂趣的，不過，或許一臺小小的超低頻接收器，並在耳機孔上插一付耳機，就能幫個大忙，改造我們成為擁有能「聽見光」的超級順風耳！這手掌大的裝置能將太陽所發出的電子和質子在與地球磁場交互作用下所產生的「超低頻電磁波」轉換成聲波。

我們所習慣看得到的光，是種非常短的電磁波，大約只有一公分的幾萬分之一。瞳孔裡的色素（pigments）會將四周環境裡的這種電磁波轉換成看得見的影像。極光和自然界其他的電波能量，譬如閃電或者極光，波長大約有30公里甚至3000公里長，將它們轉換成人耳可聽得見的範圍，需要一支轉換器。轉換器的構造很簡單，基本元件可由現成的WR-3改造，加上個金屬的機構殼，裝上鞭形天線和供應9伏特電力的電池，就可算大功告成。

除了極光之聲以外，像這樣一支改裝過的接收器同時會收到很多其他由非自然界所製造的電波聲音，譬如來自電線或家裡的任何電器產品。在家裡的話，你可以試試看，保證會收聽到很多這種雜訊。所以，要想聽見地球本身所發出的微弱而天然的電波聲音，必須遠離人工產生的電磁波源至少400公尺。

想試試看怎麼偵測特低頻電波嗎？你得先找到一個電波寧靜（radio quiet）的空曠野外地區，接下來，把天線舉向天空，記得不要站在樹底下。因為樹會吸掉很多超低頻電波。你聽得到的一些聲音，應該會如以下所介紹，點一下連結，附有聲音檔：

• 天電聲 Sferic從遙遠地方傳來的天電（sferics）聲。這首先傳入耳中的是一陣劈哩啪啦爆音嘯聲，就和雷雨交加的天氣裡，調幅收音機會收到的雜訊聲差不多。
• 吱吱聲 Tweeks在電磁波頻譜裡位於波長較長那一端的閃電，釋放出大量能量。當這種能量穿過距離地面數千公里的地球大氣層上層的電離層時，會發出吱吱聲。聽來令人聯想到Star Wars裡的雷射槍。連續一串急促的吱吱聲，幾乎已經具有像彈鋼琴時琴弦所發出的美妙的樂音等級。
• 電嘯 Whistlers 及Whistler Clusters雷電的電波進入地球磁層、碰撞了磁層裡的粒子的話，來來回回循環在南北極的磁極點之間的旅程可長達幾萬公里，並製造出這種「電嘯聲」。這聲音聽起來有點陰森空靈。由於長途旅行後，較高頻的電波會比低頻的電波早一點抵達，因此也形成這樣的一長系列，調子越來越低的聲音。既像蜂炮，也像戰爭片裡轟炸機丟下炸彈的呼嘯聲音。這和前一類的tweaks聲不一樣，tweaks的吱聲非常簡短，電嘯聲則有1/2秒甚或4秒更長。
• 晨噪 Dawn Chorus有時你會聽到電嘯成群蜂擁而至。但在最理想條件下，VLF接收器會收得到一些因極光而產生、從磁層「泡泡」傳來的陣陣騷動「聒噪聲」，姑且叫它「晨噪」（dawn chorus）吧。文謅謅的，是嗎？明明是古詩古詞裡蹦出來的兩個字！的確，誰會想得到，因為太陽朝我們丟過來一些電子，沿著地球電磁線螺旋而入、闖進大氣層，竟然還能發出蛙鳴晨噪之類的樂音？嗯，還真的是有…
• 更多晨噪在一個極光願意現身的佳夜良宵，聽到一首磁層交響樂的機會可就來了。雷電交加的暴風雨雖遠在千里之外，不過，有了雷嘯和吱吱爆裂聲作為背景音，這樣的音樂，層次感就還挺豐富的。仔細聽的話，甚至隱約還有那個如蛙鳴聲一般的「呱呱呱」，配合著極光的起落，似乎，極光還是會呼吸的生命體喲。

（Lauren譯）

資料來源:Put The Aurora Borealis In Your Ear[2013.05.20]

轉載自網路天文館

地球上的極光，又叫做南極光或北極光，為居住兩極地區的人提供了炫目的光之舞表演秀。大紅大綠整片跳著舞的光之窗簾，像一隻活物般翻攪波動了整座天 際。而最新研究說，遙遠的熱木星上，極光可是比地球上的極光還明亮成百上千倍。若是它的鄰近母恆星正在噴發，巨熱木星上光之波浪，可以從赤道一路狂奔直流 到兩極。於是整座行星以移調呈現：一幅彷彿異世界的風情畫。

哇！聽起來真是個太讚的觀光景點。連寫本篇論文的作者都說：「好想揪團去那顆行星玩！」論文作者Ofer Cohen，是哈佛史密松天文物理中心博士後研究員。

地球上極光的成因源自於太陽高能粒子猛烈撞上地球磁場，此時太陽粒子會被磁場引導而前往兩極方向，在那裡撞上地球的大氣層，造成空氣裡的分子像霓虹燈一樣，閃耀出光芒。地球上如何，系外行星上也相同，只不過，它們繞行的恆星是一些距離太陽系很遙遠的「太陽」。

地球遭日冕物質拋射（coronal mass ejection，以下簡稱CME）撞擊時會引發特別強烈的極光。數十億噸來自太陽的電漿（也就是帶電熱氣體）在CME夾帶噴發下，威力強時可直達太陽系 邊緣。地球磁層像一顆氣泡，是一圈籠罩保護著地球的磁場。當CME很強大的時候，甚至可以破壞地球磁層，帶來極大的地磁風暴。1989年時，一個這種等級 的地磁風暴曾為加拿大魁北克地區帶來大停電。

Cohen等人使用電腦程式來研究這種巨大氣體行星在很貼近母恆星的條件下，譬如近至數百萬英里，若受到恆星噴發侵襲時，系外行星的大氣層和其周圍磁層將會受到什麼影響。

首先，系外巨氣體行星會遭受到多種極強烈的力。如果是在我們的太陽系裡，CME得先在太空中擴散開來，才會接近地球，過程中已遭稀釋。熱巨木星則不 同，它會感受到強大許多、且方向性又更為集中的爆炸力道，其差異好比是距離在火山噴發口100公里以外，或者就在火山口1公里以內的噴發現場。

由此可知，對系外行星而言，這種影響將遠強烈於我們在太陽系所經歷的。應該說，有著天壤之別。

在CfA研究人員Vinay Kashyap等人所設計的模型中，CME先擊中了熱木星、削弱了它的磁場，然後CME的粒子抵達熱木星大氣層，在赤道周圍的環狀極光率先點亮起來，規模 大約是地球極光強度的100至1000倍，6小時候，一路翻騰洶湧的波浪便抵達南北極，最後，才以漸漸消退收場。

重點是，在模型裡顯示：系外行星，雖然遭受強大力量侵襲，它的磁場卻仍然可以保護這顆行星，免遭外力侵蝕。

Cohen解釋：「我們的計算讓我們看見行星的保護機制運作是多麼的巧妙，即便磁場遠小於木星的行星都有相當良好的自我保護機制。」

我們的銀河系裡最常見的恆星就是紅矮星，天文學家也建議我們可在紅矮星這一類的恆星周圍尋找類地行星，因為機率較高，而這也是為什麼Cohen他們這個研究發現很重要的原因：它和遙遠恆星周圍的岩質行星「適居性」如何，很有關聯。

不過相對的，由於紅矮星溫度比太陽低，岩質行星為了取暖-好讓水保持在液體狀態，它的軌道必須距離母恆星不太遠才行。如此一來，它暴露在恆星激烈噴發行為之下，也成了一種必然，所以，明白在這種環境中，行星的自保機制可以如何運作，當然很重要。(Lauren譯)

該研究論文將由The Astrophysical Journal刊出，可前往網上瀏覽Ghttp://arxiv.org/abs/1102.4125。

資料來源：轉載自中研院天文網， 2011。07。31， KLC

引用自臺北天文館之網路天文館網站