北極光照亮了阿拉斯加的夜空

​極光是地球上最美麗的自然奇觀之一，太空氣象專家正逐漸瞭解這一現象的奧秘。當極光照亮北極上空時，南半球的南極上空也會出現同樣的景象。但科學家們在2009年對比了南北極光的同時影象後發現，這兩種極光其實並不是對稱匹配的。

那麼為什麼我們一開始就認為它們是對稱的呢?

極光是如何形成的

極光是太陽磁場和地球全球磁場（也就是磁層）之間產生了史詩般的相互作用所產生的可見現象。太陽不斷地泵出大量的帶電粒子，如質子、氦核和痕量重離子。這些粒子一起被釋放到星際空間，以太陽風的形式沖刷著行星。

其他的太陽現象，如日冕物質拋射(CMEs)，會噴發，將這些粒子組成的磁化雲團高速噴射到太空中。太陽風、太陽耀斑和日冕物質拋射，以及它們對我們星球的影響，統稱為“太空天氣”。所有這些太空天氣一旦遇到地球的磁層，就會對我們的地球和我們的電子裝置等技術產生影響。

其中一種影響就是地磁暴。如果太陽磁場以某種方式與磁層相互作用，向磁層注入太陽粒子，從而產生極光，也就會發生漂亮的極光現象。當這些粒子跟隨地球的磁場到達兩極，如雨點般穿過大氣層時，就會產生極光。根據它們撞擊到的大氣氣體的不同，會出現不同顏色美麗的彩色光。

現在，讓我們回過頭來想想課本上的條形磁鐵圖，兩端分別指著南北兩極。他們創造的磁力線描繪出了連線南北兩極的對稱環。這是對地球磁場的過度簡化，但物理原理是一樣的。

接下來，讓我們把地球的簡化磁場變成來自太陽的穩定粒子流。這一流，也就是太陽風，攜帶著被稱為行星際磁場(IMF)的太陽磁場，在我們地球的磁層上產生壓力，將其向後掃。我們的磁層晝面將被壓縮，而夜面則被拉長，就像被拉長的小水滴。如果太陽風是穩定的，很多事就不會發生;粒子流將平穩地流過地球的磁層。但是，我們知道太空天氣絕不可能是穩定的。

地球磁層的圖解

​隨著太陽的旋轉，它會以不同的速度將太陽風沖刷到我們周圍的空間，耀斑和日冕物質拋射等爆發會在行星際空間造成非常劇烈和動態的變化。如果磁場條件正確，太陽可以向地球丟擲一個由磁化粒子組成的氣泡，並將其注入磁層層中（想象磁層層像一層層的洋蔥皮）。這些粒子隨後被掃回磁層尾部(被恰當地命名為“磁尾”)，在那裡它們被儲存起來，直到磁尾經歷重連事件，釋放壓力，迫使儲存的太陽粒子沿著磁力線流向地球大氣層。磁重聯是一種磁場被強迫在一起，像彈性一樣的突然爆發，然後重新連線，釋放能量，同時釋放大量粒子。

一個不對稱的現實

在所有條件都相等的情況下，記住我們前面描述的簡單的條形磁鐵圖，通向地球南極和北極的磁力線應該看起來是一樣的，同樣數量的粒子應該以相同的模式落在北極和南極上空。這就是發表在《地球物理研究雜誌:空間物理學》和《地球物理年鑑》雜誌上的兩項新的互補研究。

磁暴

2009年，太空氣象專家對比了地磁暴期間極光爆發的模式。他們所看到的令人困惑的事情;這些圖案分佈在不同的位置，形狀也與預測的不同。當時，他們認為這種不對稱性是由磁尾重連事件的複雜性引起的，磁尾向南北兩極輸送不同數量的帶電粒子，從而造成了不匹配。但新的研究表明，這種不對稱性實際上可能是由於嵌在太陽風流中的IMF首先遇到地球磁層的方向引起的-研究人員稱之為“不對稱地球空間”。

水波沖刷海灘石頭

我們可以把太陽磁場想象成一系列隨機方向的線，像淺水波沖刷海灘上的卵石一樣沖刷地球。如果它們的方向與磁層的南北方向相匹配，它們就會連線到地球磁場並向後移動，與它們所包含的太陽風粒子一起與磁尾合併。在這種情況下，磁尾將顯得對稱，而任何產生的極光也將是對稱的。模式匹配!

但如果太陽的磁場相對於地球的南北磁場是東西方向呢?根據這些新的研究，這會導致磁尾扭曲和不對稱。正如你可能猜到的那樣，這將對產生的極光產生影響，使太陽粒子以不對稱的模式聚集，從而產生不對稱的極光。模式不匹配!

隨著時間的推移，隨著磁尾的重新連線釋放出越來越多的能量，它就會解開，這些極光就會慢慢恢復到它們對稱的形狀。這是違反直覺的。太空氣象專家曾認為，這種不對稱過去是由磁重連引起的。事實上，重連似乎釋放了磁場壓力，從而使極光恢復對稱。

小知識

地磁暴可以在全球範圍內產生強大的電干擾，引發電力中斷和通訊中斷。在我們這個越來越依賴科技的世界裡，如果我們要準確預測離我們最近的恆星周圍動盪環境的影響，併為此做好準備，瞭解太空天氣是至關重要的。