高速太陽風會增加地球閃電發生頻率

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• 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.

今年十月，駐守在國際太空站的法國太空人 Thomas Pesquet 拍攝到難得一見的異象：耀眼的藍白色光暈在歐洲大陸上空炸開，彷彿《天使與魔鬼》中的反物質已經被引爆。

🌩A single frame from a timelapse over #Europe, showing a transient luminous event in the upper atmosphere! We have a 🇩🇰-led facility monitoring these events thanks in part to @Astro_Andreas who took the first picture of them from space! ⚡ https://t.co/tfFS3KqYmm #MissionAlpha pic.twitter.com/XqBdJ64pBq

— Thomas Pesquet (@Thom_astro) October 7, 2021

不過這陣閃光並沒有登上當地新聞，甚至沒幾個人看到他發生。因為它並不是發生在地面上的事件，而是大氣層上層的放電現象，稱為瞬態發光事件（Transient Luminous Event, TLE）。

往上打的雷

如同伴隨午後雷陣雨而來的閃電與雷聲，這些發光事件源自於雲層中充沛的電荷。在午後雷陣雨時，雷雨雲中的水滴與冰塊在劇烈的上升氣流中摩擦生電，使得雲層頂部和底部累積許多焦躁的電荷。一旦電荷累積足夠，巨大的電位差便會往地面打通一條游離化的導電通道，進而在陰雨的天空中劈出一道亮光。這就是我們常見到的雲對地閃電。

不過有時候，雲層中的電荷如果率先找到了向上的通道，便會產生「向上」的閃電，稱為「藍色噴流（Blue Jet）」，屬於 TLE 的一種。由於成因和一般雲對地閃電類似，這種宛如外星傳送門一般的景象有時被稱為中高層大氣閃電，但藍色噴流聽起來酷多了。雖然拍攝者沒有特別註明，不過這次在國際太空站拍攝到的有可能是藍色啟動器（Blue Starter），也就是長度較短的藍色噴流。

雲層上方的平流層和中氣層也時常見到另一種 TLE，叫做紅色精靈（Red SPRITE）。這種橘紅色的光影是受到下方閃電擾動後產生的高層放電所導致。他們通常成群出現，有著各種五花八門的型態，一般以下方觸鬚形狀分為水母狀和紅蘿蔔狀兩種。更高的電離層則有暗紅色的淘氣精靈（ELVES）。

大氣科學家的小幽默

到這裡你可能已經發現，科學家為這類現象命名的品味十分獨特，而且他們還花時間將這些有趣的名字硬是編成煞有其事的縮寫。SPRITE 是強烈雷雨雲電離導致的平流層擾動（Stratospheric/mesospheric Perturbations Resulting from Intense Thunderstorm Electrification）；ELVES 則是電磁脈衝源造成的甚低頻擾動與發光現象（Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources）。為了延續這個主題，後來陸續被觀察到的現象也以這類概念取名，包括山怪巨魔（TROLL）、小妖精（Pixies）、幽靈（GHOST），和地精（Gnomes），為大氣科學增添許多奇幻色彩。

觀測紀錄太少，一度被視為謠言

這些曇花一現的大氣奇景過去只是飛行員間口耳相傳的傳說，被學界斥為無稽之談。一直到 1989 年，藍色噴流才首次被太空梭拍攝的黑白影片捕捉，證實了這些傳說中的閃光確實存在。在觀測影像技術進步的同時，人們也開始積極尋找觀測高層大氣的放電現象。世界各地的照片與錄影時不時紀錄到各種不同顏色和型態的 TLE。不過由於這些奇幻的光芒只存活在雲層上方的高空，而且通常只維持幾毫秒，要從地表觀察很碰運氣，使得至今關於這類現象的資料量仍然不多。

如果想要做觀測，除了像飛行員一樣在高空中拚巧遇，最好的方法就是從太空攝影。因此，國際太空站便成為 TLE 的最佳觀測站。這已經不是第一次駐紮上方的太空人目擊類似的現象，只要打開縮時攝影，就能捕捉這些轉瞬即逝的景象。由於赤道附近有許多雷雨雲，每當太空站經過這個區域時便是最佳觀察時機。

除了地球之外，NASA 去年也透過朱諾號探測器在木星大氣層拍到類似精靈的放電發光現象。只不過這些精靈跟地球上的紅色精靈有些差別。紅色精靈的色彩來自於地球大氣中豐富的氮氣成分，不過木星大氣主要由氫氣組成，所以出現了前所未見的外星藍色精靈。科學家以前就預測：在木星這類同樣有大氣和閃電的星球上也能見到 TLE，不過一直到去年才首次直接觀察到，再度顯示這類觀測研究的難度。

根據福爾摩沙衛星二號的觀測資料，科學家估計全球每年會發生數百萬次 TLE。關於它們的成因和物理機制，目前只能算是略懂略懂，而其對氣候和高空飛行器的影響也有待科學家繼續探索瞭解。目前國際太空站上的哥倫布號實驗艙外已經配備專門的設施，針對 TLE 進行監控拍攝。將來或許能見到更多絢爛的奇幻物種現身在遙遠的空中。

參考資料：

• What The Heck Was This Blue ‘Luminous Event’ Photographed From The Space Station?
• Andreas Mogensen captures gigantic lightning from the International Space Station
• Lightning ‘Sprites’ Have Been Detected on Jupiter For The First Time, NASA Says