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極光竟然導致地球大氣層每天損失數百噸氧?


國家空間科學中心科學家知道地球大氣層每天損失數百噸氧已經有一段時間。他們知道地球陰面氧的流失過程,但並不確定陽面的氧如何逃逸。不過,他們知道一件事情,氧的流失發生在極光活動期間。每...

- 2018年12月25日16時26分
- 科學文摘 / 國家空間科學中心

國家空間科學中心

科學家知道地球大氣層每天損失數百噸氧已經有一段時間。他們知道地球陰面氧的流失過程,但並不確定陽面的氧如何逃逸。不過,他們知道一件事情,氧的流失發生在極光活動期間。每天有數百噸氧逃逸,聽起來雖然很多,但我們無需大驚小怪。在任何情況下,地球上的光合作用都能彌補這種損失。

從國際空間站拍攝的地球雲層

科學家經研究發現每天有數百噸氧從地球大氣層逃逸到太空。這種現象被他們稱之為「氣體噴泉」。根據美國宇航局地球天文台公布的一份新聞稿,沒有兩次氧外逃事件一模一樣。為了揭開地球氧外逃的謎團,地球天文台實施了一項觀測任務。


「奮進」號太空梭遨遊天際。橙色為對流層,白色為同溫層,藍色為中間層

這項任務是宇航局地球天文台VISIONS-2計劃的一部分,需要滿足特定條件才能付諸實施。在挪威斯瓦爾巴特群島的新奧爾松,科學家實施了這項觀測任務。之所以選在新奧爾松是因為它是世界上最北的人類定居點,建有一個全年無冰的港口以及一個現代火箭發射設施。冬季的夜晚,太陽不會光顧新奧爾松,不會干擾科學家對極光的研究。

除此之外,還有另一個優勢,讓新奧爾松成為實施VISIONS-2任務的理想之選。每天早上,新奧爾松會在地球磁泡的一個弱點下方穿過。這個弱點就像是一條隧道,將猛烈的太陽風導入上層大氣層。這會導致絢爛的極光秀,「蒸煮」大氣層的空氣,以「噴泉」的形式將它們逐入太空。

新奧爾松的極光和星辰

最近,VISIONS-2團隊發射了兩枚探空火箭,研究極光期間的氧流失。探空火箭是有針對性的小型火箭,可以快速發射。這一次發射的火箭攜帶了照相機和其它設備。發射團隊必須耐心等待,但它們無需等到極光出現,才發射火箭。在深空氣候觀測衛星(DSCOVR)的幫助下,他們提前得到極光即將出現的通知,隨即發射火箭。

DSCOVR是美國國家海洋與大氣管理局的太陽風觀測衛星,處在地球與太陽之間的拉格朗日點。這顆衛星會通知VISIONS-2團隊太陽風何時達到足夠的強度並且方向剛剛好,能夠導致極光。理想情況下,VISIONS-2團隊能夠提前一小時得到通知。


新奧爾松座落於北緯78.9度,距北極1237公里

即使擁有DSCOVR這樣的先進預警系統,VISIONS-2團隊仍要小心謹慎。如果太陽風突然變弱,他們就浪費了一次發射。如果地球大氣層中的風過強,也會帶來問題。探空火箭沒有導航系統,發射前必須考慮風的因素。慶幸的是,VISIONS-2團隊還有另一件利器——氣象氣球。他們每30分鐘放飛一次氣象氣球,監測大氣層中的風。

12月7日,研究人員在新奧爾松發射兩枚探空火箭。兩枚火箭搭載了一系列儀器,部分儀器需要一個旋轉平台,其它的不需要。兩枚火箭的發射間隔幾分鐘,以便讓類似儀器獲取不同時間點的數據。在它們的幫助下,VISIONS-2團隊能夠對地球大氣層的氧流失進行研究。

探空火箭發射升空。雖然個頭很小,探空火箭也攜帶先進儀器,為科學家提供重要觀測數據

VISIONS-2任務首席研究員、宇航局戈達德太空飛行中心的空間物理學家道格·羅蘭德表示:「在瓦諾普斯島製造這些複雜且性能出眾的有效負荷,以及進行集成、測試和發射方面,我們擁有非常豐富的經驗。此次發射是一個激動人心的時刻,當時的科學觀測條件非常理想,所有儀器都上演出色表現。」

發射後,火箭擁有10分鐘的觀測時間,幫助科學家研究「大氣噴泉」。中性原子成像相機在「噴泉」內外拍攝了照片。極光相機記錄下極光活動、溫度、強度和高度。如果一切順利,科學家能夠獲得一面所謂的「科學牆」。科學牆用於展示極光活動及相關預測數據。


12月7日,兩顆探空火箭從挪威新奧爾松發射升空,幫助科學家揭示地球大氣層中的氧如何逃逸到太空

12月7日的發射似乎取得成功。對數據的初步分析結果表明,探空火箭的儀器運轉正常,傳回了預期數據。羅蘭德說:「我相信我們看到了『大氣噴泉』。」科學家仍需對數據進行分析和梳理,「但我們已經掌握了多個角度的證據」。

很顯然,地球是一顆活躍的星球,每時每刻都在上演各種活動和現象。VISIONS-2計劃不僅能夠幫助我們進一步了解地球,同時也有助於對其它行星進行研究,解答一系列重要疑問——哪些行星具有適居性?一些行星為何淪為荒漠?一顆類似火星的行星(一度擁有大氣層)如何失去大氣層?

新奧爾松上空的極光

地球大氣層不會在短期內損耗殆盡。一直到50億年後太陽變成紅巨星,地球才會遭受這種厄運。變身紅巨星意味著太陽會不斷膨脹,剝離地球大氣層,地球文明將不復存在。

地球大氣層在極光活動期間損失的氧和氫數量很少。每天有數百噸氧逃逸,聽起來雖然很多,但我們無需大驚小怪。在任何情況下,地球上的光合作用都能彌補這種損失。對這種現象進行研究具有重要意義,有助於我們了解背後的機制並獲取相關細節,進一步洞察地球與太陽之間的關係。


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