绚丽多彩的极光，竟是30年前这场大停电的元凶？
2022-03-22
来源于格致论道讲坛 ，作者尧中华
研究极光，不仅满足人类对神奇现象的好奇，还能帮助我们理解和应对自然灾害，更将直接服务于国家的未来深空探测战略。
尧中华 · 中国科学院地质与地球物理研究所特聘研究员
大家好，我是尧中华，来自中国科学院地质与地球物理研究所。非常高兴能够来到格致校园分享我的研究。
我的研究对象是一种神秘的自然现象，它非常绚丽、漂亮。与此同时，它又能揭示在地球和其他行星空间中发生的一些高能量爆发性的物理过程。它就是今天的主角——极光。
在我国中山站所拍摄的一段极光视频
这是我的同事姚淑涛博士在第35次南极越冬科考时，在我国中山站所拍摄的一段极光视频。可以看到，极光甚至能够把夜空照得通亮。
▲ 左：2010年4月5日，国际空间站（图源: NASA/Soichi Noguchi）;右：Galaxy15, 2010年4月5日失去控制
极光不仅仅关乎绚丽的发光现象，对我们的现代生活也有非常重要的影响。左边是日本航天员野口聪一在国际空间站上所拍摄的极光照片，这个绿色和红色的极光整体点亮了夜空。为什么要将这张照片放在这里呢？这是因为右图这个价值数亿美元的银河15（Galaxy 15）通信卫星，就是由于这次极光事件而失去控制。
▲ 左：核电站变压器损坏，1989;右：塞勒姆核电站，美国新泽西
我们再来看一个事例。左图展示的是一个烧坏的变压器。它并不一般，而是位于美国新泽西塞勒姆核电站（右图）之中。把它烧坏的元凶也是极光。因此，理解极光、研究极光不仅满足人类对自然世界神奇现象的好奇，还能够帮助我们理解自然灾害，并更好地应对自然灾害。
人类历史上就一直关注着极光事件，有着持续的记录。在美国航天局（NASA）整理的极光历史观测里，第一条就是来自中国的文字记录，而且是与华夏文明相关的。它记录了黄帝的母亲附宝在郊外散步的时候，突然看到“大电绕北斗枢星，光照郊野”，即整个大地都通亮起来了。但这并没有告诉我们极光是什么形状的。后来屈原在《天问》一书中写道：“日安不到，烛龙何照”。意思是太阳光照射不到的时候，烛龙是怎么亮起来的？他用两个关键字对极光进行了描述，分别是“烛”和“龙”，即将极光形容为蜡烛一样的龙。龙是中华民族的文化图腾，是一种非常庞大的动物；而蜡烛又是一根一根很小的的结构。那么将细小的蜡烛组合起来构成了龙的形状，就是极光的模样。
▲ Early drawingof the aurora, depicted as candles in the sky, 1570.(来源:Crawford Library, Royal Observatory, Edinburgh.)
无独有偶，在英国爱丁堡皇家观测站收录的一幅古极光的绘画中，也把极光绘成了蜡烛，并且排列出了一个宏伟的图案。上图中最下方的是人们居住的小房子，而在它之上的是云彩，在云彩之上一根一根排列的蜡烛就是当时的人想象的极光。可以看到，东西方不约而同地将极光比作在空间中排列开来的宏伟蜡烛。那么极光到底是不是这样的呢？在国际空间站拍摄的极光，主要以绿色为主，还带有一些红色，犹如一条巨龙盘旋在太空当中。大家仔细看，这个巨龙其实是有很多垂直方向小结构的。在古人看来，这一个个小亮点就像蜡烛在天空中点亮一样。
照明需要能量，我们在家里开灯就需要使用电能，在夜空中点亮极光自然也是需要能量的。这个能量的来源其实不难想象，地球上大部分能量的来源都是太阳。比如植物生长就需要太阳的能量，而极光的能量来源也是太阳。
▲ 太阳-地球空间系统（来源:NASA）
太阳本身是一个进行着非常剧烈的核聚变的球体。除了通过太阳光给地球提供温暖的能量以外，核聚变还会不停地产生大量的高能带电粒子。它们喷涌而出，以高速的太阳风的形式充斥整个太阳系，也吹到地球以及其他行星上。这些太阳风所携带的能量和物质就是产生极光的原始的能量物质。
太阳向外喷发高能带电粒子，我们称这些物质为太阳风，它们会与地球相互作用。地球有磁场，就相当于一个盾牌，能挡住太阳吹来的太阳风。因此太阳风不会直接吹到地球上，而会围绕着地球储存起来。但磁场所能储存的能量并不是无限的，同任何一个蓄能系统一样，它储存到足够多能量的时候就会释放出来。这些能量就会沿着磁力线跑到地球的大气层。当这些高能带电粒子与大气相互碰撞以后，会使得大气中的原子分子获得能量。这些原子分子获得能量后就要释放出来，就形成了极光。
▲ 图片来源:Austin Montelius/ University of Iowa
我们看到的极光主要是绿色、红色和紫色的，这实际上与大气的成分有关。因为大气中最主要的两种成分是氧气和氮气，所以这极光的颜色主要就来源这两种大气成分。比如绿光实际上就是氧原子发出来的光。
于带电粒子是沿着磁力线沉降到极区的，所以我们看到的极光都发生在磁场的北极或者南极。恰巧现在的磁轴与地轴、即地球绕着转的这根轴是高度一致的，大概就差了十来度，所以我们会感觉到极光发生的地理位置是在南极和北极。现在磁轴相比地轴实际上是往北美那边偏的，这个偏差使得极光带往北美偏了一点点，所以比起亚洲，北美更容易看到极光。但是磁轴并不是永远都偏向那边，在历史上磁轴其实是漂移的。比如在一两千年前，磁轴曾经偏向了西伯利亚这边，那时在中国境内就比在北美更容易看到极光。
▲ 最容易看到极光的极光椭圆带
▲ 漠河 (53.5°N, 122.3°E)，地磁纬度：42.70°N
因为我做极光研究，大家经常会问我：尧老师，你别解释那么多，就说今天在中国到底能不能看到极光？如果要在今天的中国看极光的话，最可能看到的地方应该是在最靠近极区的地方，也就是位于漠河的北极村。它在中国这只“雄鸡”的鸡冠附近，地理纬度为53.5°。但因为地磁轴是往北美那边偏的，因此北极村的地磁纬度是42.7°。要知道现在极光的平均位置大概是六十多度，所以这两者的差距还是很大的。
▲ 《栾城县志》
说到这个问题，在近代中国历史上，我们是否曾观测到极光呢？答案是肯定的。上图展示的是《栾城县志》的内容，栾城是今天河北石家庄的栾城区，离北京不远。这是己未年即咸丰九年秋八月癸卯夜的记录，换算过来就是1859年9月2日的晚上。那个晚上，“赤气起于西北，亘于东北，平明始灭”。意思是大气中的红色发光气体从西北开始一直延伸到了东北，直到快接近早晨时才开始灭下来。这里的红色发光气体“赤气”描述的就是红色的极光。栾城离北京其实不远，我在北京居住了十几年，为什么我就没有看到过极光？这个极光为什么会发生在那天，它有什么特殊之处？
▲ 1859年卡灵顿事件 - 人类历史最强的地球磁暴记录
实际上，这个答案就藏在距离我们半个地球的英国业余天文学家理查德·卡灵顿的记录中。他当时记录道：1859年9月1日下午，我像往常一样拿着望远镜去观测太阳，我观察到了一个极其罕见的太阳黑子。这次超强的太阳活动也因此被称为卡灵顿事件。卡灵顿记录的时间比咸丰九年记录的要早一天。也就是说在这次太阳活动发生后的一天，它的信号传递到了地球。事实上，卡灵顿事件在地球上造成的影响非常广泛。一百多年过去后，它依然是人类历史上记录到的最大的地磁活动。基于此，关于它的研究与资料当然是非常系统、充分的。
▲ 左：Greenand Boardsen 2006
左图的纵坐标是地磁纬度，科学家在不同的地方记录到了三类事件。图中黑色的是极光相关的事件，在图中占主要部分；橙色的是地磁扰动事件；蓝色的是与电报机相关的事件。这条虚的包络线描述的就是能看到极光的纬度，它展示了从1859年8月28日到9月5日这段时间内，大约两次主要极光事件的扩展范围。可以看到，这些观测扩展到了很低的纬度，尤其是在9月2日，也就是《栾城县志》记录的这一天，可观测到极光的位置从十几度的磁纬度开始一直延伸到了高纬度。这说明栾城看到的极光实际上还远远不及它被记录到的最低纬度，这次极光是一个全球性事件。
右上是美国航天局整理的一条记录，它描述了在北纬11°记录到一个深红玫瑰色的极光。当时没有影像，只有文字。那如何得知这个极光到底是什么样的？我们可以通过后来发生的类似极光事件进行匹配。右下图中深红色的天空是在日本北海道拍摄的，这就是1989年把核电站变压器烧坏的那次极光事件。它就像一次小型的卡灵顿事件，影响也非常大。这次极光事件也延伸到了纬度非常低的地区。通常我们只有在北美阿拉斯加附近这样的高纬度地区才能看到极光，但是1989年这天的极光几乎延伸到了北美全境，甚至包括佛罗里达这些纬度很低的地方。
那么，极光为什么会烧坏变压器这样的电气设备呢？我们知道极光是高能量的带电粒子快速地与大气碰撞产生的，高能量的带电粒子快速运动会产生什么？电流。所以大的极光事件一定伴随着大的电流扰动以及大的电磁扰动。
▲ 1989极光事件的可观测范围（左）；机器对电气设备的损害（右）
1989年同1859年相比，人类从只有电报机等少数电器的传统时代进入了现代科技时代，当时已经有了飞机、导航以及各种用电设备。所以1989年这次极光事件虽然不如卡林顿事件，但它对生活有着更大的影响。比如它导致了加拿大魁北克地区整体的大停电，影响达到数个月；再比如它影响了计算机芯片，进而导致了多伦多股票交易市场的停顿；同时，它还影响了很多极区的卫星的运动和控制。
▲ 如果这些设备全部损坏的话……
今天相比1989年，我们的用电设备尤其是电子设备的数量要多得惊人。有人估算过，假设1859年这个人类历史上最大的地磁暴事件——卡灵顿事件发生在今天，它所直接导致的经济损失能够达到数以万亿美元计这个量级。所以我们要对极光进行监测、理解和研究。
我们的监测主要有两大类，一类是通过发射卫星，带着相机在太空中拍摄。还有一类是在地面上布很多的相机来观测。因为每个相机只能看到局部的一片很小的区域，所以需要大量的相机来做接力，从而做到持续地监测极光过程，以更好地理解极光和利用空间环境。现在磁轴在北美那边，我们中国其实是不在极光带上的，那么我们是不是就可以不用研究极光呢？事实上不是的。虽然中国境内不在极光带上，但我们是一个航天大国，我们有很多卫星在空间中运行，它们都会受到极光事件的影响。所以我们也需要研究极光，以更好地服务于深空探测。中国在北极和南极都有大量的极光监测台站可以做极光相关的研究。在北极极光带上，我们有黄河站和在建设的冰岛站；在南极有长城站、昆仑站、泰山站和中山站。
▲ 中国极光观测站
地球上的极光我们已经观测了数千年，那极光是不是地球的土特产？实际上不是的。太阳系八大行星中，除了水星没有极光外，其他行星都有极光。为什么水星没有极光？因为它没有大气。我们在前文提到过极光是大气的发光现象，只要有大气就会有极光，而没有大气自然就不会发光。
其他行星的极光也反应着复杂的空间环境。我们知道，2020年我国成功地实施了针对火星的“天问一号”探测，它标志着我国对行星、对深空的探测迈上了一个新的高度。我国还部署了一系列未来的深空探测，我们下一个要探测的行星就是木星。木星的极光也非常有特点，它是太阳系最强的极光，比地球的要强数百倍。所以通过木星的极光来理解木星的空间环境，对于我国或者说全人类未来的木星环境探测是非常有效的手段。
这里的每一格都是木星极光的动画，它们都是哈勃空间望远镜拍摄的。它已经服役了三十年，还在持续地给我们提供新的观测。这些动画都是我在过去的五年中，每天推开办公室的门，沏上一杯咖啡，把前一天的数据下载下来做出来的。大家看着可能差不多，实际上每天的动画都是不一样的，无论是从形状还是从扰动来说。这告诉我们，在遥远的木星上，在它的空间内发生的能量爆发过程是非常剧烈的，而且每一天都不一样。通过这些绚丽的极光图片，我们能够更好地了解木星上正在发生的事情。
刚才我们说到地球上极光的来源是太阳风，而木星离太阳很远，比地球要远5倍。那么太阳吹到木星那儿的太阳风更弱了，极光的能量不是应该更弱才对？但为什么木星的极光这么强呢？这里的核心因素就是木星的卫星。我们知道地球只有一颗天然卫星——月亮，但是它是不活跃的。而木星有79颗已经确认的卫星，并且它的卫星丰富多彩。
比如木卫一，它有剧烈火山活动，有400多座活火山持续喷发火山物质，导致它的表面呈现痕迹斑斑的黄色，这就是火山喷发出来的硫磺。木卫二和木卫三冰表面下面还有海洋，很多科学家一直在试图寻找上面是否有生命存在，也是目前的探测热点。整个木星系统有大量的卫星地质活动所喷发的物质充斥在空间中。比起太阳风吹来的能量，这些能量物质反而是更多的。这就是虽然木星系统离太阳很远，但是它的能量非常丰富的原因所在。
▲ 中国行星探测路线图，Nature Astronomy，魏勇、尧中华、万卫星，2018
2018年，我和地质地球所的魏勇研究员和万卫星院士在《自然天文学》（Nature Astronomy)上写了中国行星探测路线图。在这个路线图内，除了描绘国家部署的月球探测、火星探测、小行星探测以及将来的木星探测外，我们还特别提出要在地面上架设一台望远镜。这台望远镜聚焦的科学目标只有一个，即木星和木卫一系统。为什么我们要聚焦木星和木卫一系统？前面我们已经介绍过，木星的空间环境极其复杂，而木卫一的火山活动实际上在整个空间环境内起着主导作用。所以只有监测到木卫一的火山活动在空间中的演化，我们才能理解木星的空间环境，才能理解木星为什么有太阳系最强的极光辐射。
▲ 左：冷湖行星地质观测中心；右：我国首台木星系统观测望远镜（2021年10月9日）
2021年10月9日，中国科学院地质与地球物理研究所终于在冷湖安装了国内首台木星系统观测望远镜，通过对这个系统的监测，将来服务于木星探测科学。极光是太阳系行星甚至是太阳系外行星在其复杂的空间环境中进行能量释放的绚丽窗口，理解和研究极光不但可以帮助我们更好地应用生活中所需要的现代科技，还能直接服务于国家的未来深空探测战略。
谢谢大家！