北极光和南极光闪闪发光的绿色、红色和紫色窗帘——极光——可能是照亮夜空的最著名的现象，但最神秘的是被称为史蒂夫和它们经常出现的同伴的淡紫色和白色条纹，一个发光的绿色“纠察栅栏”。
史蒂夫于2018年首次被公认为与普通极光不同，史蒂夫在2006年一部儿童电影中被赋予了可怕的树篱的良性名称，但其相关的纠察栅栏被认为是由相同的物理过程引起的。但科学家们对这些发光的排放物是如何产生的感到摸不着头脑。
加州大学伯克利分校物理学研究生克莱尔·加斯克现在对这些现象提出了一种物理解释，这与导致著名极光的过程完全不同。她与校园空间科学实验室的研究人员合作，建议美国宇航局向极光中心发射一枚火箭，以确定她是否正确。
随着太阳进入其11年周期的活跃期，充满活力的极光和发光现象，如史蒂夫和纠察栅栏，正变得越来越普遍，而11月是史蒂夫在北纬观测的好月份。由于所有这些瞬态发光现象都是由太阳风暴和太阳日冕物质抛射引发的，因此接近太阳极大期是研究史蒂夫和纠察栅栏等罕见事件的理想时机。
加斯克在上个月发布在《地球物理研究快报》杂志上的一篇论文中描述了栅栏背后的物理学，并将于12月14日在旧金山举行的美国地球物理联盟会议上的受邀演讲中讨论结果。
她计算出，在比极光形成更南边的高层大气区域，平行于地球磁场的电场可以产生纠察栅栏的色谱。如果正确的话，这个不寻常的过程对物理学家如何理解地球磁层之间的能量流动有影响，地球磁层围绕着地球并保护地球免受太阳风的影响，而地球磁层则位于太空边缘。
“在某些情况下，这将颠覆我们对极光中产生光和能量的建模，”Gasque说。
“克莱尔的论文真正有趣的事情是，我们已经知道史蒂夫光谱告诉我们有一些非常奇特的物理学正在发生。我们只是不知道它是什么，“该论文的合著者、SSL助理研究物理学家Brian Harding说。“克莱尔的论文表明，平行电场能够解释这种奇特的光谱。
这篇论文是加斯克博士论文的一个副项目，该论文的重点是地球表面的火山等事件与我们头顶上方100公里或更远的电离层中的现象之间的联系。
但在 2022 年的一次会议上听说了史蒂夫后，她忍不住研究了史蒂夫和纠察栅栏背后的物理学。
“这真的很酷，”她说。“这是目前空间物理学中最大的谜团之一。
史蒂夫和纠察栅栏的物理学
当太阳风为地球磁层中的粒子提供能量时，就会产生常见的极光，通常在地表以上 1000 公里的高度。这些带能粒子围绕地球磁力线向两极盘旋，在那里它们撞击并激发高层大气中的氧和氮分子。当这些分子松弛时，氧气会发出特定频率的绿光和红光，而氮气会产生一些红色，但主要是蓝色的发射线。
由此产生的五颜六色、闪闪发光的窗帘可以在北纬或南纬延伸数千公里。
然而，史蒂夫显示的不是单独的发射线，而是以紫色或紫红色为中心的广泛频率范围。与极光不同的是，史蒂夫和栅栏都不会发出蓝光，这是当最有能量的粒子撞击并电离氮气时产生的。史蒂夫和纠察栅栏也出现在比极光更低的纬度，甚至可能在赤道以南。
一些研究人员提出，史蒂夫是由高层大气中的离子流引起的，称为亚极光离子漂移或SAID，尽管对于SAID如何产生彩色发射没有公认的物理解释。
加斯克的兴趣是由一些建议引发的，即纠察栅栏的辐射可能是由平行于地球磁场的低空电场产生的，这种情况被认为是不可能的，因为任何与磁场对齐的电场都会迅速短路并消失。
使用电离层的通用物理模型，Gasque随后表明，在大约110公里的高度，一个适度的平行电场 - 大约每米100毫伏 - 可以将电子加速到一种能量，这种能量将激发氧气和氮气，并产生从纠察栅栏观察到的光谱。该区域的不寻常条件，例如较低密度的带电等离子体和更多的中性氧和氮原子，可能会起到绝缘作用，以防止电场短路。
“如果你看一下纠察栅栏的光谱，它比你想象的要绿得多。而且没有来自氮电离的蓝色，“Gasque说。“这告诉我们的是，只有特定能量范围的电子可以产生这些颜色，而且它们不可能从太空中进入大气层，因为这些粒子的能量太大了。
相反，她说，“来自栅栏的光是由粒子产生的，这些粒子必须在太空中通过平行电场通电，这与我们以前研究或知道的任何极光机制完全不同。
她和哈丁怀疑史蒂夫本身可能是由相关过程产生的。他们的计算还预测了该过程将产生的紫外线发射类型，可以对其进行检查以验证有关纠察栅栏的新假设。
她说，虽然Gasque的计算并没有直接解决使这种现象看起来像栅栏的开关发光，但这可能是由于电场中的波状变化。虽然被电场加速的粒子可能不是来自太阳，但太阳风暴对大气层的破坏可能会触发史蒂夫和纠察栅栏，就像普通的极光一样。
增强的极光呈现出栅栏状的光芒
哈丁说，下一步是通过这些现象从阿拉斯加发射火箭，并测量电场和磁场的强度和方向。SSL科学家专门设计和制造能够做到这一点的仪器。这些仪器中有许多现在在围绕地球和太阳运行的航天器上。
最初，目标将是所谓的增强极光，这是一个普通的极光，其中嵌入了类似栅栏的辐射。
“增强的极光基本上是嵌入正常极光中的明亮层。颜色与纠察栅栏相似，因为它们中没有那么多的蓝色，氧气的绿色和氮气的红色更多。假设是这些也是由平行电场产生的，但它们比纠察栅栏更常见，“加斯克说。
她说，该计划不仅是“让火箭飞过增强层，首次实际测量这些平行电场”，而且还将第二枚火箭送上去测量更高高度的粒子，“以区分这些条件和导致极光的条件。最终，她希望有一枚火箭能直接飞过史蒂夫和纠察队的围栏。
今年秋天，Harding、Gasque及其同事向NASA提出了这样一个听起来很合适的火箭活动，并希望在2024年上半年收到有关其选择的回复。Gasque和Harding认为该实验是了解高层大气，电离层和地球磁层的化学和物理学的重要一步，并且符合NASA为此类项目赞助的低成本进入太空计划。
“公平地说，未来会有很多关于这些电场如何到达那里的研究，它们与什么波有关或不相关，以及这对地球大气层和太空之间更大的能量转移意味着什么，”哈丁说。“我们真的不知道。克莱尔的论文是这种理解链中的第一步。
加斯克对研究中电离层或中间层和平流层的人们的投入表示感谢，他们的想法帮助她找到了解决方案。
“通过这次合作，我们能够在这个领域取得一些非常酷的进展，”她说。“老实说，它只是跟着我们的鼻子走，并对此感到兴奋。”
除了哈丁之外，她的其他合著者还有宾夕法尼亚州立大学帕克分校的Reza Janalizadeh，马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯大学应用物理实验室的Justin Yonker和加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学的D. Megan Gillies。
