来源：地质地球所  发布日期：2020-4-27

　　磁场和大气共同造就并维系了地球宜居环境。地球大气中的分子、原子或离子从太阳辐射或高能离子流吸收能量后，就会产生发光现象。根据其产生机制不同，大气发光现象可大致分为两类：气辉（Airglow）和极光（Aurora）。气辉是高层大气（指80 km以上的大气层）和电离层中原子、分子和离子的化学发光，是一种全球性的发光现象，从空中俯瞰（如国际空间站）就像一个包裹地球的彩色光球（如图1所示）。在可见光波段，气辉呈现明显的高度分层结构，由低到高主要有黄光、绿光和红光。不同高度层的气辉辐射是高层大气和电离层密度/温度结构与动力学过程的重要指示器，是研究电离层和热层扰动的常用参数，如重力波和电离层行扰。但气辉辐射强度较弱，在地面上人眼一般无法感受到。

 

图1 高层大气发光现象，其中左下部分绿色区域为北极光，中部地球边缘的圆弧状黄色和红色区域为气辉（国际空间站宇航员拍摄，Credit: NASA）

　　而在地球南北两极的高纬地区，由于偶极磁场位形特殊的漏斗状结构，来自太阳风和磁层空间的高能带电粒子会沿磁力线沉降到高层大气和电离层，与其中的原子和分子碰撞并激发绚丽的极光（如图1所示）。传统认为极光只发生在南北两极环绕磁轴的椭圆环带中（又称为极光卵），偶尔在极端空间天气事件期间会扩展到中低纬度。极光辐射光谱范围非常宽，从波长极短的X射线到红外线，这取决于高层大气成分和沉降粒子能量。小小的极光卵是广袤磁层空间中复杂动力学过程的光学表象，为空间天气研究打开了一扇窗口。极光是非常动态的，主要在磁暴和亚暴期间爆发，并表现出丰富多彩的结构，如光斑、光弧、串珠、流状、涡旋和锯齿（He et al., 2020）等。

　　从广义来讲，所有高能粒子与中性大气碰撞激发的光辐射都可称为极光，比如火星和金星上发现的极光。这两颗类地行星都没有类似地球的全球性偶极磁场，极光可以发生在星球上任何有高能带电粒子入射的地方。而在地球上，偶极磁场保护了中低纬度地区免受高能带电粒子的撞击，但当地磁场强度减弱时，这种保护作用就会减弱。地球偶极磁场强度分布并不是均匀的，最明显的负偏离出现在南大西洋异常区（SAA，South Atlantic Anomaly），这里的磁场强度比同纬度的其他地区至少低一半，而且还在持续减弱，范围也在不断移动和扩大（如图2所示）。SAA区域弱磁场导致更多的内辐射带高能带电粒子进入高层大气，并通过碰撞激发类似极光的发光现象。在1960-1970年代，有少数空间物理研究先驱注意到这个现象，并命名为“赤道极光”，后因探测缺乏、研究困难等种种原因而渐渐不为人所知。SAA区域由于大量高能带电粒子捕获和沉降产生的大气/电离层效应和气候效应也有待深入理解。

图2 利用IGFR模型计算的地表以上300 km高度处全球磁场强度分布图，白色等值线代表磁场强度28000 nT　　

　　中科院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室主任万卫星院士认为，空间探测和理论在过去60年中已经取得长足发展，当前已经是时候重启赤道极光的研究。经过数年的探索，万卫星院士率领团队已经取得了系列突破性的发现。作为系列论文的第一篇，何飞等发表综述论文，系统总结了以SAA为代表的负地磁异常区（Negative Magnetic Anomaly）高能带电粒子沉降特征、粒子碰撞发光现象和历史观测研究现状，重新提出了赤道极光的概念。赤道极光的典型特征是发生在负地磁异常区（通常在赤道附近），在磁暴期间增强，变得肉眼可见，展现出与传统极光类似的发生规律和动态结构。随着近几十年来SAA区域的不断扩大，磁暴期间越来越频繁地观测到赤道极光，在一些大气环境优良的天文台址，肉眼能经常看到赤道极光，如图3所示。

图3 智利的欧洲南方天文台（位于SAA内）和夏威夷的莫纳克山天文台（位于SAA的西部延伸区）在磁暴期间拍摄的赤道极光，这些红色极光同时也能为肉眼所见

　　论文特别针对可见光波段人眼可感受的典型辐射谱线——氧原子绿光（557.7 nm）和红光（630.0 nm）——进行了系统的分析计算，并从地面上人眼感受光强阈值的角度，分析了这两条谱线在不同空间分布情况下的可观测性和可观测范围。

　　作者还对未来负地磁异常区赤道极光研究和面临的挑战提出了展望。系统研究负地磁异常区有助于揭示地球系统演化。从地磁场减弱到 “地磁倒转”都对地球宜居性具有重大影响，甚至引起生物大灭绝。当前地球磁场整体上在逐渐减弱，SAA区域减弱速度更快，范围也在不断扩大，未来持续减弱是否会导致下一次“地磁倒转”值得深入系统研究。

　　目前SAA的空间探测频繁受到高能粒子对探测器的污染，缺乏系统综合的研究。通过不同高度的小卫星星座配置光学、磁场和粒子探测器监测SAA，并通过交叉定标去除噪声污染，可实现对SAA空间环境的全面研究，如我国澳门1号卫星就聚焦于此科学问题。此外，长航时平流层气球（如中科院A类先导专项“临近空间科学实验系统”）也是监测SAA区域赤道极光的有效手段，地基极光相机则是很好的补充，可对固定区域开展长期连续监测。这些全方位立体化观测手段相互配合，将大大促进SAA相关科学研究，促进地球系统科学研究。 　　

　　　　综述成果发表于国际权威学术期刊NSR。（He F, Wei Y*, Wan W*. Equatorial aurora: A review of the aurora-like airglow in the negative magnetic anomaly [J]. National Science Review, 2020, DOI: 10.1093/nsr/nwaa083.）(原文链接) 该成果受到中科院A类先导专项（鸿鹄专项，XDA17010201）、中科院地质地球所重点部署课题（IGGCAS‐201904）、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等资助。