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在冰岛极光下,有群中国科学家将开始一场最浪漫的研究

2022-11-30 03:10:14 2709

摘要:“一起看极光”是不少人心中最浪漫的事,而一群中国科研人员在冰岛,坚持数十年对这场人与天空的浪漫约会进行绝对严肃的科学研究。文/记者 李荔 图文编辑/孙燕燕新媒体编辑/吕冰心(供图:中国极地研究中心副研究员胡泽俊)它轻盈地飘荡,忽明忽暗,发出...

“一起看极光”是不少人心中最浪漫的事,而一群中国科研人员在冰岛,坚持数十年对这场人与天空的浪漫约会进行绝对严肃的科学研究。

文/记者 李荔 图文编辑/孙燕燕

新媒体编辑/吕冰心

(供图:中国极地研究中心副研究员胡泽俊)

它轻盈地飘荡,忽明忽暗,发出红蓝绿紫的光芒,如同风一样的光。它常被认为是来自天堂的火炬,是神灵用来引导死者走进天堂的路标。这就是传说中的北极光,它绚丽登场时,从天空一角跨越另一角,不停地变幻形状,你可以用相机匆忙地记录下浮光掠影,却无法记录站在天幕下看到大自然浩瀚的感受到生命渺小如沧海一粟的感动。

当大家追逐神秘的北极光早习以为常的时候,有这样一些人坚持数十年与极光和黑暗为伍,过着黑白颠倒的生活,为的就是探寻极光背后的奥秘。近日,一则“中国在冰岛建造科研设施研究北极光”的消息引起大众广泛关注,让中国极地研究中心追梦北极光的研究人员从幕后走到了台前。据了解,由中国极地研究所出资修建的这座设施将于明年开放,届时将接待中国、冰岛及国际科学家。

为何要远赴冰岛建北极光观测台?北极光美的背后,都有哪些未解之谜?有怎样的科研价值?看北极光需要准备什么?中国极地研究中心是这次冰岛极光观测台的主体牵头和管理单位,北京科技报|“科学加”APP采访到了该中心大气与空间物理学研究室主任胡红桥。

▲中国极地研究中心高空物理与大气研究室主任胡红桥

他表示,在北极圈附近的一个幽谷,中国准备与冰岛一起仰望天空。这个冰岛极光观测台将帮助科学家了解太阳与地球磁场之间的相互作用,将有助于预测太空天气,并且还将发挥重要的极地科普功能。

▲正在建设中的冰岛极光观测台观测栋(供图:中国极地研究中心副研究员胡泽俊)

★★★

在冰岛追逐北极光,与极光和黑暗为伍

“壮丽的天空景象!你用光焰和五色充盈了漫漫极夜,你迷人的辉耀令大西洋的金色黄昏、令热带的华丽植物、令戈尔康达钻石的灿烂光泽全部黯然失色!”这是开创了现代极光科学研究的丹麦学者SophusTromholt于1885年写下的赞美极光的诗句。从人类第一次看到极光开始,这种奇幻壮丽的自然现象就吸引了无数人赞美膜拜,探索追求。

在人烟稀少的地球两端,时常会有璀璨壮丽、千变万化的美丽光带滑过夜空。出现在北极的,人们称它为“北极光”,出现在南极则被称为“南极光”。

每场极光之舞都不尽相同,不过最常见到的是那闪耀的绿色弧拱和光帘。对于很多人而言,亲眼目睹北极光时的那种震撼可谓是一生中难得的体验。有些人就此被深深吸引,总也看不够这空中眩目的色彩。那么这道光美丽的背后,究竟还有哪些强大的科研“背景”?

胡红桥说,由于极光中包含了大量的空间环境和空间天气信息,通过对极光和相关现象的监测,有助于空间天气预报,减少灾害性空间天气对人类活动的影响。冰岛处于极光带下,且在全球气候系统中非常重要。因此他们希望以中冰联合极光观测台为支撑点,将可以逐步开展大气、海洋、冰川、生物和生态学研究。

据了解,鉴于极光在空间物理现象及科学研究等方面的重要性,极光研究已成为世界各国极地高空大气物理科学领域研究中相当重要的环节,极光的综合观测也成为各国极地科学考察活动的重要科考项目。1989年2月我国在南极建立了中山站,并在中山站设立了研究极光的专门仪器设备和专业研究人员。

20年后,我国又一次在冰岛建立的这个极光观测台是中冰合作的成果,它的名称叫中冰联合极光观测台。目前,这个极光观测台占地约2000余亩,为我们今后发展多手段的综合观测提供了场地条件,观测台有可以容纳10名观测队员的宿舍。主体建筑一楼主要用于科普教育,除展厅外还设计了报告厅;二楼主要是观测实验室以及观测人员和科学家的办公与活动空间;三楼是极光和大气光学观测实验室。观测台可同时容纳10名中外科学家在观测台工作和50名中外游客参观,计划于明年投入使用,将安装极光、地磁和极区电离层的观测设备,并逐步对外开放。

胡红桥表示,众所周知,一个太阳活动周是11年,极光等空间天气现象与太阳活动有着密切的联系,所以这个极光观测台将是一个运行周期很长的观测站。观测台建成后,我们通过科研设施将在晴朗的黑天,开展极光的光学观测,在全天候情况下都将开展与极光密切相关的电离层吸收、闪烁和地磁响应观测。未来,观测台将发展成极区空间天气监测的综合监测站。明年观测台的主要任务是安装科学观测设施,将接待2到3批科学家开展观测任务。观测台的游客中心和科普馆的建设主要由冰岛方面负责,计划在观测设施安装后再分期建设,对公众正式开放的时间暂时还没有确定。

★★★

仰望星空,探寻极光背后的奥秘

事实上,最初,极光这种神奇的现象给人们带来的并非美的享受,而是好奇和恐惧。是灵魂的飘荡,还是精灵在天上跳舞?在人类有历史记录以来,这个在夜空中飘荡的光芒一直都是困扰古人的谜。在阿拉斯加的爱斯基摩人相信:当夜空中闪烁诡谲的光芒时,就是有人要被带往天堂了;北达科达印地安人则相信这是印地安勇士在庆祝胜利的火光;而加拿大的因纽特族人甚至还说极光会发出口哨和啪啪声,相传这是漂泊的灵魂在天堂前徘徊的脚步声。北欧的瑞典人相信极光是精灵在天上跳舞,而芬兰人则把极光形容成“火狐狸”,用以代表极光的不可捉摸与灵巧。

▲在16世纪的画作中人们想象极光是天空中的蜡烛

一直以来,关于极光的成因人们展开了五花八门的想象:亡者在天堂点燃的火炬、火狐狸尾巴扫起的雪花在月下的反射、格陵兰冰原反射的光芒……凡所种种,不可胜数。

在19世纪中期,人们开始意识到极光的出现与地磁场的变化有关系—1859年英格兰天文学家观测到一次强烈太阳黑子的事件,18小时后伦敦的Kew观测台站测量到了剧烈的地磁变化,大约一天之后,大洋对岸的耶鲁大学教授EliasLoomis目睹了横跨美国的壮观的极光,并写道:“这是美国历史上(关于极光)最显著的记录。”就此将极光与太阳活动联系起来。

胡红桥解释到,在本质上北极光和南极光没有差异,都是高能粒子沿着地球磁力线沉降到极区电离层与大气成份碰撞激发产生的,发光原理有点像霓虹灯。在日侧,也就是靠近太阳一侧的极光,通常是由太阳风粒子直接沉降到极区电离层产生,而远离太阳一侧的夜侧极光则是经过磁层动力学过程加速后的沉降粒子产生。

▲极光的形成原理(图片来自中国国家地理)

胡红桥说,与南极光相比,北极光一直名声在外,这主要是因为南极洲没有土著居民,南极大陆周围又是海洋,而北极光的高发地区有居民生活,因此北极光更早被人类关注到,有比南极光更多的传说。如在公元前2200年《山海经》的记载中极光被称作烛龙。美丽的北极光吸引着很多游客到冰岛、挪威等北极国家旅游。极光出现时会伴随一些空间波动现象,如极光嘶声,这些波动的频率不在声波的范围,所以人耳听不见,但可以用设备观测记录到。目前,我们对于极光的分布、形态、高度、颜色等特征,以及极光产生的机制,我们已经了解得比较清楚。

然而,在极光美丽面纱的背后,藏在大量的空间天气信息。至今,极光作为地球空间天气的指示器,对于极光背后的空间天气现象和空间天气过程仍有待深入研究。例如,太阳风粒子和能量是如何进入地球磁层的?极光粒子在沉降过程中经历了什么样的加速过程?伴随极光爆发的磁层亚暴和磁暴等灾害性空间天气是如何发生的?

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晴朗的黑夜,到冰岛北部看极光

虽然北极光看上去触手可及,其实却形成于100公里之外的高空。究竟科研上会怎样研究它?会用到哪些高科技设备?胡红桥透露,在冰岛,我们将利用多种手段来同时对极光及其相关的空间物理现象开展观测。利用3个波段的高时空分辨率全天空极光成像仪,对不同波长的极光在全天空范围内的形态和运动开展连续监测;利用成像式宇宙噪声接收机对极光粒子沉降产生的电离层吸收进行全天候成像观测;利用电离层数字测高仪对电离层状态进行监测;利用双频和三频信标接收机对电离层总电子含量和闪烁进行监测;利用通门式磁力计和感应式磁力计对产生空间电流和空间等离子体波进行监测。

▲通过科研设施将在晴朗的黑天,开展极光的光学观测,在全天候情况下都将开展与极光密切相关的电离层吸收、闪烁和地磁响应观测

“由于冰岛的极光带在夜晚穿过上空,因此看极光的最佳时间通常在晚上10点到早上6点。”胡红桥表示,当然,由于极光的亮度与蜡烛光差不多,比较微弱,只能在黑天的情况下才能看得见,因此,在夏天极地出现白昼时看不见,在城市灯光很亮的地方看也很可能看不见。另外,非常重要的一条,极光发生的高度通常在100公里以上,比云层高很多,所以在晴朗的夜空也是看极光的必要条件。在冰岛出现阴雨天较多,到冰岛看极光一定要关注天气变化,通常冰岛北部比南部的晴天更多,因此冰岛北部更适合看极光。

看极光前,最好看一看天气预报,查一查太阳活动和地磁活动情况预报,有的以观赏极光的旅游点可能还有极光预报。最好多穿点衣服到远离灯光的地方去看,如果想从旅店的窗口欣赏极光,往往会令人失望。如果要拍极光照片,最好准备一个单反相机,一个三角架,一个遥控快门,记住千万不要用闪光灯,即使在高感光度下曝光时间可能也要10秒以上。

★★★

当北极光遇上旅行,一起去追光

欧若拉,传说中的极光女神,当她用五色光焰照亮天堂时,这世间所有的光芒都黯然失色——极光,是我们在地球上所能看到的最壮观华美的自然现象之一,从古到今,吸引着无数人去探寻它的秘密,而现在越来越多的中国极光爱好者,也开始痴迷于追寻极光的踪迹。哪里是欣赏极光的最佳区域?

胡红桥介绍,极光在地球上的高发地区分布在南北极围绕地磁极、地磁纬度介于60-75度之间的两个椭圆带上,这就是常说的极光带。靠近太阳一侧的极光带距磁极更近一些,夜侧极光带距磁极更远。在地球自转时,极光带相对于太阳与地球间的连线保持不变,极地的台站在一天24小时中会在相对于极光带的不同部位穿过。当然随着太阳活动和地磁的变化,极光带的大小和宽度等也会发生变化。在不同地方看极光的最佳时间不同,具体时间与穿过极光带的时间和位置有关。

他表示,在极光带发生极光的概率非常高,几乎天天都会发生。在极光带看到极光的概率非常高,但必须是晴朗的黑天。当然如果要是在太阳活动和地磁活动较强的时候,极光的发生范围会更广,极光活动更强,更漂亮。

然而,目前在城市内,由于灯光太亮,确实很难看到极光,就像在城市很难看到星星一样,因此看极光最好到灯光较暗的农村或郊区去。目前,在地球上观赏极光最佳的地点在北欧的冰岛、挪威、丹麦、瑞典,以及北美的加拿大、美国阿拉斯加等地,最佳的季节是冬季,因为北方的冬季夜晚很长。在寒冷的冬夜,如果能边泡着温泉边欣赏美丽的极光,那真是一种美妙的享受,这大概是冰岛极光更吸引人的原因之一。当然满月是要避开的,在月光下极光的婀娜多姿将隐去大半。观赏极光还确实需要有一定的运气,如果天公不作美,碰上雨雪天或阴天,那就只好改天再看了。如果运气好,碰上地磁活动较强的晴天,漫天灿烂多姿的极光就只等你拍了。

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