2022 年圣诞节夜，地面上看到的巨大均匀极光已被证实为极雨极光。这是首次在地面观测到极雨极光。与由地球磁层磁尾中存储的入射电子驱动的典型极光不同，极雨极光是由电子沿开放磁场线直接从日冕行进到地球极地区域形成的，最终形成“极雨”电子沉淀，在与大气中的氧和氮原子相互作用时产生光学辐射。
极光，这种色彩斑斓、令人眼花缭乱的光秀（在北极地区被称为北极光或极光，在南极地区被称为南极光或极光）的故事始于太阳大气层的日冕层。这一层太阳大气层的温度极高。虽然光球层（由于这是我们可以用光观测到的部分，因此被视为太阳表面）的温度约为6000开尔文，但由于“日冕加热悖论”，日冕的平均温度在1万至2万开尔文之间。如此高的温度使得日冕成为一层超高温等离子体层。由高能带电粒子（如电子、质子、α粒子和重离子）组成的太阳风不断地从日冕层向各个方向喷射，包括地球方向。
高能带电粒子从太阳到地球的旅程并不简单直接。通常情况下，电离粒子会受到地球磁场（磁层）的偏转，因此地球上的生命形式和电气系统不会受到太阳风的有害影响。
然而，如果太阳大量抛射带电粒子，如日冕物质抛射 (CME)，地球的磁层就会不堪重负，从而产生磁暴。磁暴会对磁层造成压力，直到磁层迅速反弹，将一些带电粒子抛向地球。
磁场的收缩带将太阳风中的电子拖曳到极地地区，在那里，人们可以在上层大气中距地面 100-300 公里处观察到极光。太阳风中的质子和其他离子对极光形成的贡献可以忽略不计。
极光基本上是由氧原子和氮原子发射的光，这些光受到磁层中沿地球闭合磁场线沉淀的高能电子的激发（高能电子沉淀或 EEP 是指电子能量沉积到大气中）。高能电子与大气中的氧相互作用产生绿色和红色，而与氮相互作用则产生蓝色和深红色。
因此，极光的形成是由磁尾（地球磁层中被太阳风吹向远离太阳方向的巨大尾部的区域）中储存的入射电子驱动的。磁层中储存的电子在太阳风的强迫下获得能量，然后在极地地区爆发性地沉降到大气中，从而形成极光。
极地雨极光
然而，极光很少由电子从日冕沿开放磁场线直接传播到地球极地地区，最终形成“极雨”电子沉淀而形成。当太阳风密度较低时，这种电子沉淀会非常强烈。这种电子引起的光学辐射很弱，形成的极光被称为“极雨极光”。
卫星曾多次从太空观测到极雨极光，但地面设施从未发现过此类现象。
2022年12月25日至26日，北极地区地面相机在太阳风几乎消失之际捕捉到了一种非典型的极光。观测到的极光均匀且规模巨大，与典型的极光截然不同。典型的极冠极光色彩绚丽，呈现出彩虹般动态的图案，可能表现为帘幕、光线、螺旋或闪烁变化。从卫星上看， θ极光的形状像希腊字母θ（一个中间有一条线穿过的椭圆）。由于从上方观测到的θ极光呈现出大规模的弧状，因此也被称为“跨极弧”。 “日向弧”是指从地面天文台观测到的小型、较暗的极光弧。由于极光弧的一端指向太阳，因此被称为“日向弧”。
2022 年圣诞节夜观测到的极光平滑、弥散且规模巨大。它看起来不像典型的极光，因此被认为是极雨极光。为了证实这一点，研究人员使用卫星和地面数据对此进行了调查。
卫星图像显示，极盖区域最初完全空无一物。12月25日，极盖开始出现微弱的弥漫极光。随后，几乎整个极盖区域很快被强烈但结构较为松散的极光覆盖。这种弥漫极光对极盖的大规模填充持续了约28小时。12月26日清晨，极盖内部的强烈极光开始减弱，几个小时后，极光的结构恢复到正常分布，极盖再次变得空无一物。
极雨电子沉淀通常只发生在一个半球，具体取决于行星际磁场 (IMF) 的方向。同时的卫星图像显示北半球极冠已完全填满，而南半球极冠则为空。观察到的这种半球间不对称和预期的 IMF 方向强烈表明，在北半球极冠内探测到的大规模极光是极雨极光。电子数据中也看到了半球间不对称。此外，太阳风消失的时间与极冠填充时间之间的相关性非常好。
12月25日至26日，位于北极城市朗伊尔城的地面观测站进行的光学测量表明，高能电子（>1 keV）是电子沉降的主要成分。卫星也观测到了高能电子的涌入。因此，从地面上可以看到极光，表现为明亮的绿色辐射。
在之前的一项研究中，已经证明极雨极光以每秒 150 米的速度向太阳方向移动。在 2022 年圣诞节晚上看到的非典型极光的情况下，对横截面光学数据的分析表明，极光沿向太阳方向传播，但从地面上看，极光的速度要快两到三倍。
因此，2022 年圣诞节晚上从地面可见的巨大均匀极光是极雨极光。这是首次在地面观测极雨极光，这是复杂的日地联系的一个独特方面。
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参考文献：
- 细川，K. 等 2024. 太阳风几乎消失的一天，极地冰盖上出现了异常巨大的极光。科学进展。21 年 2024 月 10 日。第 25 卷，第 XNUMX 期。DOI： https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5276
- SWPC，NOAA。奥罗拉。可从以下网址获取 https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/aurora
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