NASA的THEMIS航天器揭示了极光珠的奥秘

从国际空间站看到的极光珠，2011年9月17日（框架ID：ISS029-E-6012）。

一种特殊类型的极光，像一条发光的珍珠项链一样，在夜空中东西向披着，正帮助科学家更好地了解极光的科学及其在太空中的强大驱动力。这些光被称为极光珠，通常在大型极光显示之前就亮起，这是由太空中称为雷暴的电暴引起的。以前，科学家们不确定极光珠是否以某种方式与其他极光显示器相连，这是亚暴前的太空现象，还是由更接近地球大气层的干扰引起的。

这张照片是2015年冬至在萨斯卡通以东拍摄的，上面有81％的发光蜡状隆起的月亮。它已通过PixInsight处理，以消除由于在曝光过程中意外轻推三脚架而造成的条纹，同时尝试保留逼真的星形和颜色。曝光时间为2.5秒。

但是功能强大的新型计算机模型，结合NASA的“亚暴期间事件历史和宏观相互作用的时间历史”（THEMIS）任务的观察结果，提供了导致这些珠粒出现的太空事件的第一个有力证据，并证明了它们发挥的重要作用在我们的近太空环境中。

加利福尼亚大学洛杉矶分校（THEMIS）首席研究员瓦西里斯安杰洛普洛斯（Vassilis Angelopoulos）说：“现在，我们已经确定这些珠子的形成是在引发太空亚暴之前的过程的一部分。”“这是一个重要的新难题。”

通过提供比单独使用三个THEMIS航天器或地面观测所能看到的更广阔的图片，新模型表明，极光珠是由等离子体中的湍流引起的–物质的第四态，由气态和高导电性带电粒子组成–围绕地球。该结果最近发表在《地球物理研究快报》和《地球物理研究杂志》上：太空物理学最终将帮助科学家更好地了解极光中所见的旋流结构的全部范围。

“ THEMIS的观测结果现已揭示出太空中的湍流，这些湍流导致发光的极光项链中的单颗珍珠照亮了天空，”其中一篇新论文的主要作者，美国太空科学研究所的THEMIS科学家艾夫金尼·帕诺夫（Evgeny Panov）说。奥地利科学院。“空间中的这些湍流最初是由更轻和更灵活的电子引起的，它们随粒子的重量移动了2000倍，而在理论上可能发展为全面的极光亚暴。”

极光珠形成的奥秘

当来自太阳的带电粒子被困在地球的磁性环境（即磁层）中并汇入地球的高层大气时，就会产生极光。在大气层中，碰撞会导致氢，氧，氮原子和分子发光。通过在数十英里到120万英里的范围内对近地球环境进行建模，THEMIS科学家能够显示出极光珠如何形成的细节。

从地球捕获的极光珠的照片。

当太阳发出的等离子流通过地球时，它们与地球磁场的相互作用会在地球后方产生漂浮的等离子气泡。就像熔岩灯一样，气泡与磁层中较重的等离子体之间的浮力失衡会产生2500英里宽的等离子手指，该手指向下延伸到地球。这些手指的签名在极光中创建了独特的珠状结构。

2018年12月在挪威特罗姆瑟捕获的极光珠的照片。

“总的来说，在磁层周围发生的相对较少的瞬态事件总有一种重要意义，”位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的THEMIS项目科学家戴维·西贝克说。“我们直到最近才达到计算能力足以捕获这些系统中基本物理原理的地步。”

从地球捕获的极光珠的照片。

既然科学家了解了极光珠在亚暴之前，那么他们想知道珠子如何，为何以及何时触发全面的亚暴。至少在理论上，手指可能会缠结磁力线并引起爆炸事件，即磁重联现象，众所周知，这会造成充满夜空的全方位亚暴和极光。

新型号打开新门

自2007年发射以来，THEMIS在穿过磁层时一直进行详细的测量，以了解导致极光的亚暴的原因。在其首要任务中，THEMIS能够证明磁重连接是亚暴的主要驱动力。新结果强调了较小规模的结构和现象的重要性-与跨越数百万英里的结构和现象相比，横跨数以千计的结构和现象。

在磁层赤道面上，外部对地磁场的影响以红色（加强）–白色（未受影响）–灰色（减弱）显示。在T = 0时太阳风磁场的方向发生变化后不久，就可以在地球的夜侧（左）看到浮力气泡的形成。

为了了解极光中的这些功能，您确实需要解析全局和较小的局部比例尺。这就是为什么迄今为止如此如此具有挑战性的原因。 Slava Merkin说，他是美国宇航局地球风暴中心的新论文之一和科学家的合著者，该中心的总部设在马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室。“它需要非常复杂的算法和非常大的超级计算机。”

浮力在磁层赤道中测量，蓝色到棕色测量“轻”到“重”。叠加在赤道上的是恒定磁纬度和经度的网格线。

新的计算机模拟几乎完美地匹配了THEMIS和地面观测。在新的计算机模型取得初步成功之后，THEMIS科学家渴望将其应用于其他无法解释的极光现象。特别是在解释小型结构时，计算机模型至关重要，因为计算机模型可以帮助解释三个THEMIS航天器通过的空间之间发生的情况。

艺术家的THEMIS轨道概念。

《极光》的作者之一卡累姆·索拉希亚（Kareem Sorathia）说：“人们在极光中看到了很多非常动态，非常小规模的结构，由于它们发生得非常快且规模很小，因此很难与太空中的大图联系起来。” NASA的地球空间风暴中心的新论文和科学家，总部位于约翰·霍普金斯大学应用物理实验室。“现在，我们可以使用全局模型来表征和研究它们，这打开了许多新的大门。”

参考：

“近地等离子薄片和极光珠的气球状交换不稳定性：MHD逼近极限的全球磁层建模”，KA Sorathia，VG Merkin，EV Panov，B。Zhang，JG Lyon，J。Garretson，AY Ukhorskiy，S.Ohtani，M。Sitnov和M.Wiltberger，2020年6月15日，地球物理研究快报。DOI：
10.1029 / 2020GL088227

Evgeny V. Panov，San Lu和Philip L.Pritchett撰写的“通过分离的磁尾互换头了解航天器的轨迹”，地球物理研究杂志，2020年5月3日：空间物理学
10.1029 / 2020JA027930