出品：科普中國

作者：王譽棋（中國科學院地質與地球物理研究所）

監制：中國科普博覽

極光，是唯一肉眼可見的空間物理現象。

地球上的極光是由于來自磁層和太陽風的帶電高能粒子被地磁場導引帶進地球大氣層，并與高層大氣中的原子碰撞造成的發光現象，因其常出現在南北兩極地區附近，故稱為極光。

你知道嗎？不僅地球上有極光，別的行星上也有！

極光不僅存在于地球上

極光的形態多樣，一般有帶狀、弧狀、幕狀、放射狀等，這些形狀時而穩定，時而連續變化。

極光現象

（圖片來源：Veer圖庫）

極光的顏色取決于極光生成高度處的大氣原子類型及其所吸收的能量，最為常見的是綠色和紅色的極光，也有藍色或紫色的極光，偶爾也有綠光和紅光按比例混合而成的粉紅色或黃色的極光。

早在數千年前的歷史時期，壯麗的極光現象就被世界各文明記載，見證了人類對自然世界的探索與人類文明的演進。

位于智利帕拉納爾天文臺的可見光和紅外天文學巡天望遠鏡（VISTA）觀測到的大氣發光現象

（圖片來源：(LCO)/ESO）

隨著現代科技的飛速發展，深空觀測技術為我們提供了獨特的視角，使我們能夠觀測和研究地球以外其他天體的極光現象。

早在20世紀90年代，哈勃空間望遠鏡就捕獲到了木星的極光。卡西尼號探測器的窄角相機于2009年10月5日至8日期間在土星北部上空拍攝到了閃爍的極光。

人們在金星和火星上也曾觀測到過極光。由于金星和火星沒有像地球、木星和土星一樣的全球偶極磁場，其極光產生的位置較為分散，并不集中于兩極地區。

NASA發布的哈勃空間望遠鏡在1998年1月拍攝到的木星極光照片

（圖片來源：NASA）

除了這幾顆行星外，還有其他行星上有極光現象嗎？

答案是：有。

最近發表在《自然?通訊》上的一篇題為《Direct evidence of substorm-related impulsive injections of electrons at Mercury》的文章，帶我們走進了太陽系中最靠近太陽的行星——水星，揭示了這顆行星上與極光相關的發現與探索。

論文截圖

（圖片來源：《自然·通訊》雜志）

這一研究或許能證明水星上出現極光或類似極光現象的可能。

水星：理解極光生成的新視角

水星，這顆距離太陽最近的行星，一直以來都是科學家們的研究焦點。

水星擁有一個較弱的磁場，與太陽風的相互作用形成了一個小型的磁層。水星的磁層是一個充滿活力的地方，受到太陽風相互作用的影響，產生了一系列復雜的物理過程。

與地球相比，水星的磁層更加緊湊，磁層的大小約為地球磁層的5%，磁層與行星表面的距離大約為水星半徑的1.45倍。

這使得水星的磁層經歷了快速重構和變化，其中一個關鍵過程被稱為Dungey循環。在Dungey循環中，等離子體被加速、輸送、損失和循環運動，從而形成了各種“神秘”的現象，例如水星外部的環形電流，水星亞暴等等。

水星磁層示意圖

（圖片來源：北京大學宗秋剛團隊）

然而，我們對水星上的這些過程知之甚少，水星上是否存在極光現象也是未解之謎。

直到2021年10月1日，歐洲空間局（ESA）與日本航空航天局（JAXA）合作的探測任務“BepiColombo”首次飛越水星，為我們理解水星這顆神秘行星的空間環境提供了新的見解。

在BepiColombo號的首次水星飛越中，科學家們觀測到了水星磁層的顯著壓縮特征。

水星的磁層與太陽風的相互作用，使得水星磁層被壓縮，該壓力估計比以前的MESSENGER任務觀測到的平均值還要高出兩倍以上。

這意味著水星的磁層在太陽風的影響下發生了快速變化，這種現象的出現為后續的觀測提供了重要的背景信息。

BepiColombo號第一次飛躍水星期間對向水星表面析出的電子進行觀測

（圖片來源：Sae AIZAWA）

在BepiColombo號進入水星磁層后不久，科學家們觀測到了高能電子的能量-時間色散現象（不同能量的粒子被分開），這是以前在水星上從未被觀察到的一個特征。同時，能量范圍在100eV到數keV的電子呈現出明顯的通量增強，并具有清晰的周期性波動，周期為30-40秒。

觀測到的能量色散電子（紅色箭頭指示電子通量周期性波動）

（圖片來源：Sae AIZAWA）

這些特征表明，這些電子在水星磁層的近磁尾區域被加速，隨后快速漂移到日側區域，再注入到閉合磁場線上，最終沉降到表面。

這個過程被稱作“電子注入”，其為極光的產生提供了“綠色通道”。

在地球上，高能粒子進入通道后，激發了大氣中的原子，最終產生極光。但是與地球不同，水星上幾乎沒有大氣，電子在進入通道后，無處發力，因此在水星上尚未觀測到類似地球的極光。

地球的電子注入示意圖

（圖片來源：南方科技大學楊劍團隊）

結語

雖然這項研究沒有直接觀測到水星上的極光，但觀測到了與極光生成密切相關的一系列物理現象，這為我們揭開行星極光奇觀背后的奧秘提供了新的視角，讓我們更全面地認識了行星極光的生成機制、演化過程以及不同星體與太陽之間錯綜復雜的相互作用關系。

隨著太空探測技術的不斷進步，我們相信，水星將繼續為我們帶來更多的驚喜和發現，揭示太陽系中星球之光的奧秘。

來源: 中國科普博覽

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