在這幅藝術家演繹的畫面中，漩渦形狀的極光在北極上空打旋。自身不可見的太空颶風，即一個巨大的、旋轉的等離子體中的電子，沉降到地球磁場線（綠色脈動線），從而形成極光。這種電子沉降（橘色漏斗狀）類似於常見颶風中的降雨。來源：MARK GARLICK

撰文：ROBIN GEORGE ANDREWS

當太陽向我們的方向丟擲一團高能粒子時，天空中就會上演美麗的極光秀：靠近南北磁極地區的夜空中會出現絲帶般鮮豔的彩光。但偶爾，神秘而模糊的一團極光也會出現在地理北極上方。這些光是什麼，是怎麼產生的，尤其是它們為何出現在太陽的平靜期，目前都不得而知。

一支由多國科學家組成的研究團隊或將揭開謎底。這些亮斑可能是北極光以一種非正統的螺旋形狀旋轉，類似於我們所熟悉的颶風形。該團隊將這種現象稱為“太空颶風（space hurricane）”。

儘管科研人員所梳理的資料來自冷戰時期的衛星專案，但他們還是獲得了以史無前例的細節捕捉到的北極上空一次極光發射。該研究成果發表在2月份的《自然通訊》期刊上。文章稱，2014年北極上空一場不尋常的極光有一個平靜的中心，或“眼”，而且強勁的等離子體“風”（帶電的氣體）像渦流一樣繞著中心盤旋。這場極光持續了大約8個小時，直徑約1000千米，從海拔96千米高的基部一直延伸到800多千米高，直入太空。

2014年前發現的這類極光斑塊可能也是太空颶風。若果真如此，就意味著2014年的這次事件本身並非新發現。但是，該論文的合著者、挪威卑爾根大學的太空物理研究者 Kjellmar Oksavik稱：“無論是從形狀、形態或行為的角度來看，這都是我們首次發現它確實是一個颶風。”

目前仍有一些疑團，比如，太空颶風究竟有多常見？有多少能量被轉移到地球大氣層？

搜尋太空颶風

過去幾年，該論文的第一作者、山東大學的張清和教授一直和自己的學生梳理著衛星資料，以期找到有趣的高層大氣現象。他們所用的一個數據庫來自於國防氣象衛星專案（Defense Meteorological Satellite Program）。該專案最初是美國在20世紀60年代發起，目的是追蹤全世界的天氣，幫助美國軍隊計劃軍事行動。

張教授解釋稱，由於像颶風一樣的實體存在於木星、土星、天王星、海王星（如木星上的“大紅斑”）和地球，他曾很好奇類似的東西是否存在於行星的高層大氣。被眾多人造衛星環繞的地球似乎是一個開始尋找的好地方。

此前早已有許多衛星監視著地磁北極上空可疑的極光斑塊，但它們要麼沒有恰好的軌道，要麼相機拍出來不過是朦朧一片。然而，美國軍用衛星的軌道距離地球近得多，所攜帶的儀器也能清晰地看到這些極光。儘管這個配置對於發現太空颶風堪稱完美，但對於研究人員而言仍然不是一件易事，畢竟，他們不知道太空颶風最可能出現的時刻，也不知道太空颶風的關鍵特徵是什麼。“你根本不知道自己要找什麼。”Oksavik說道。

2014年8月20日，那些衛星監測到有一個旋風狀的極光斑塊在地磁北極上方旋轉，酷似一場颶風。但當時的太陽活動卻完全對不上。太陽延伸磁場的排列並不利於一場強烈極光的出現，而太陽風（太陽噴射出的粒子流和磁場）移動得很慢，缺乏許多高能粒子。

那麼，這場極光又是如何存在的呢？

你繞著我轉圈圈

首先，理解極光出現的規律性很重要。

太陽噴射出的電子會飛向地磁兩極。它們衝進上層大氣裡的中性氣體原子和分子中，短暫地使其帶電，並激發閃光。這種光色彩多變，構成了南北極光。極光顏色取決於被衝擊到的氣體型別，有白色、紅色、紫色、藍色和綠色。北極光出現在所謂的極光橢圓區，基本上就是地磁北極周圍的區域，隨著地球磁場對超音速太陽風和太陽磁場的反應而擴充套件或收縮。

當太陽磁場指向南方，且與向陽面的、指向北方的地球磁場互動作用時，極光橢圓區就會變大。在太陽風暴期間，電子和一部分太陽磁場飛向地球，太陽和地區的磁場會聯結在一起，有點像是一根磁鐵相反的兩極。這種聯結在太陽和地球之間建立一個強烈的磁場通路，允許太陽風中的電子和正離子衝向地球兩極的大氣層。

2014年這場像颶風一樣的極光漩渦，緊湊地圍繞著地磁北極旋轉。為了解釋這一異象，研究團隊嘗試用模擬磁流體運動的3D模型來重現衛星觀測到的景象。

當時，太陽的磁場強烈地指向北方，因此與地球磁場的聯結極其微弱，使得極光橢圓區收縮成地磁北極上方的一個小點。

即便在當天太陽風狀況中等的條件下，電子依然降落到地球上層大氣。如果是在廣闊的極光橢圓區情況下，它們可能會產生微弱的極光。但是，當它們落入當天如此緊縮的橢圓區時，那一特定區域內被擊中的氣體原子和分子比平時更多，從而形成了一場明亮得出人意料的極光。

最後，太陽風中還有東西向的磁場。這一點並不反常，但是當與如此緊縮的極光橢圓區相疊加，就會有效地驅動極光，使其旋轉。噹噹，太空颶風出現了！

兩種颶風的故事

正如論文作者們所承認的那樣，將這一現象比作地球海洋上方生成的颶風其實並不完全恰當。

它們都有平靜的“眼”，旋臂裡的物質都會以極快的速度繞著眼旋轉。“這個類比肯定能引人共鳴。”美國加州大學洛杉磯分校的氣候科學家Daniel Swain評論道（他並未參與本研究）。不過，他指出，這兩種現象在本質上是不同的東西。颶風本質上是一臺熱力發動機，從熱帶海洋汲取能量，然後輸送到兩極。太空颶風的物理過程卻截然不同。

“颶風”一詞還可能使人聯想到某種巨大的、狂暴的、破壞性的畫面，正如地球上的颶風那樣。能證實太空颶風也會是一種威脅嗎？

比如說，無線電和衛星通訊透過地磁北極上空的大氣層反射，會使北極探險者GPS生成的地圖位置產生偏移。落入緊縮極光橢圓區的電子可能也會使下方的大氣層升溫，導致其擴張並向上膨脹。這會使穿過這一稠密大氣團的衛星減慢速度。

但這些影響很可能非常細微。美國宇航局戈達德航天中心的太空物理研究人員Alexa Halford認為，強勁得多的太陽爆發所引發的地磁暴，才是太空天氣中真正的危險（他並未參與本研究）。

在黑暗中踮起腳尖旋轉

尋找更多太空颶風的行動已經開始。Oksavik稱，既然研究人員已經知曉該尋找什麼特徵，就可以編寫演算法，更快地從衛星資料中梳理、識別出其他太空颶風。當它們被發現時，它們將有助於研究人員更好地瞭解它們的行為，並將揭示它們是隻發生在北極上空，還是也會突然出現在南極。

2014年這場太空颶風出現在平靜的太陽週期，表明它們是普遍的，因為它們並不需要超乎尋常的太陽活動才能存在。而且，不僅在地球上，很可能在其他有磁場的星球上也有，包括氣態巨行星和冰巨星，甚至可能出現在木衛三這個唯一一顆擁有自身磁場的衛星上。

不過，眼下只找到一次也足以令人興奮。Oksavik說：“作為人類，我們以為我們對宇宙、我們的行星和我們的周邊已經瞭解甚多，然後我們卻發現了我們意料之外的東西。”

（譯者：Mike-Gao）