極光竟然導致地球大氣層每天損失數百噸氧?導讀

12月
03
2019


分類:科技
作者:許安春


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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