- 本文编译自《Physicists explain how type of aurora on Mars is formed》
形成极光的要素有三，其中之一就是磁场。地球具有覆盖全球的磁场，可以在两极地区生成北极光和南极光；然而，火星没有覆盖全球的磁场，因此火星上的极光并非出现在两极，只能在特定区域生成。
近期，爱荷华大学领导的研究团队，根据美国航空暨太空总署（NASA）火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）探测器的数据，确认了火星离散极光是由太阳风和火星南半球地壳上空残存的磁场相互作用所生成。
极光三要素：大气、磁场、高能带电粒子
在介绍火星前，让我们先把镜头转到地球，谈谈地球上的极光在哪里形成，以及如何形成。
地球极光出现的区域称为极光椭圆区（auroral oval），涵盖北极与南极地区，但并非以两极为中心；换句话说，极光椭圆区也涵盖了极圈以外的部分高纬度地区。另外，极光椭圆区的宽度与延伸范围，会随着太阳黑子 11 年的循环周期而变动。
当太阳风和地球磁层的高能带电粒子被地球磁场牵引，沿着磁力线加速往高纬度地区移动，最後和大气中的原子碰撞时，就会形成多采多姿的极光。
综合以上所述，可以得知极光的三个要素是：大气、磁场、高能带电粒子。
地球上这些「指引我们美妙未来的魔幻极光」，若属於可见光波段，就能用肉眼观测，并以相机记录这梦幻舞动的光线。
极光椭圆区与地理北极、地磁北极相对位置图。其中红色实线表示极圈范围，绿色区域则为极光椭圆区。图／National Park Service
火星的大气层、磁场以及离散极光
在介绍离散极光之前，得先介绍它的幕後推手——行星际磁场（Interplanetary Magnetic Field，IMF）。IMF就是太阳风产生的磁场，在行星际空间主导着太阳系系统内的太空天气变化，并阻挡来自星际间的高能粒子轰击。
那麽 IMF 是如何产生的呢？当太阳风的高能带电粒子从太阳表面向外传播，会同时拖曳太阳的磁力线一起离开；太阳一边自转一边抛射这些粒子，让延伸的磁力线在黄道面上形成了螺旋型态的磁场。
以蛋糕装饰来说明的话，太阳就像是在转盘上的蛋糕，太阳风粒子就是挤花装饰；而当蛋糕一边以固定速度自转，挤花逐渐向外扩散的同时，就会在蛋糕产生螺旋状的轨迹。
对太阳风和 IMF 有基本认识之後，让我们把镜头转向火星，谈谈火星的大气层和磁层和地球有什麽不同。
相较地球来说，火星的大气层非常稀薄。这是因为太阳风的高能粒子轰击火星大气层，强大的能量将大气层的中性原子解离为离子态，导致大气层的散失；该过程称作溅射（sputtering），发生在火星大气层的溅射主要透过两种方式达成—–第一，在 IMF 的作用之下，部分的离子会环绕磁力线运动，随着 IMF 移动而被带离火星；另外一部份的离子则像撞球一般，撞击其他位於火星大气层顶端的中性原子，引发连锁的解离反应。
MAVEN 任务的领衔研究员 Bruce Jakosky 说明，根据团队研究的成果，太阳风的溅射效应会将火星大气层中的惰性气体氩解离，并将这些氩离子从大气层中剥离。火星大气层内氩的同位素（质子数相同，但是质量不同的元素）以氩-38 以及氩-36 为主，後者因为质量较小而较容易发生溅射。
藉由氩- 38 和氩-36 的占比，Jakosky 的团队推估火星约有 65％ 的氩已经散逸至外太空。基於该研究结果还可以推算出火星大气层中其他气体的散逸情形；其中又以二氧化碳为焦点，毕竟行星需要足够的温度才能维持液态水的存在，而二氧化碳在温室效应有很大的贡献。
接着，让我们一探究竟火星磁场与地球有何不同。地球能形成全球磁场的奥秘是什麽呢？这要先从行星发电机理论开始说起，该理论指出行星要维持稳定的磁场有三个要件——导电流体、驱动导电流体运动的能量来源、科氏力。
以地球为例，地核内部保留了地球形成初始的热能，约有 4000°C 至 6000°C 的高温。位於地核底层的高温液态铁，因为密度下降而上升至地核顶端，接触到地函时，这些液体会丧失部分热能而冷却，因为温度比周围环境低，密度变高而下沉；如此不断的热对流循环下，让带有磁力的流体不断运动，进而形成电磁感应。另外，科氏力的作用让地球内部涌升的流体偏向，产生螺旋状的流动效果，有如电流通过螺旋线圈移动的效果。
在火星所发现的地壳岩石证据显示，火星在数十亿年前曾经和地球一样具有全球的磁场。科学家对火星磁场消失的原因还不是很清楚，其中一种假说认为可能跟火星质量较小有关，在火星形成之初散热较快，造成火星外核液态铁短时间内就凝固，无法像地球一样，保留高温地核使液态的铁和镍因为密度的变化，不断从地核深处上升至地函，再冷却下降，持续进行热对流。
火星地核内部缺乏驱动导电流体的原动力，导致火星内部的发电机几乎停止运转，无法形成全球的磁场。话虽如此，火星仍然具备小区块的磁场，主要分布在火星南半球留有残存磁性的地壳上空。
磁层与大气层相互依存，火星在太阳风不断吹袭之下，大气层愈趋稀薄；火星内部又缺乏发电机的动力，无法形成完整的磁层。火星缺乏厚实的大气层保护，就难以阻挡外太空陨石的猛烈攻势，因此如今呈现贫瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。
既然这样，看似缺乏极光形成要素的火星，又是如何形成极光的呢？
虽然火星没有覆盖全球的磁层作为保护，但火星南半球仍带有区域性的磁场。在那里，磁性地壳形成的残存磁场与太阳风交互作用，满足了极光生成的条件。这种极光被称为「离散极光」，与地球上常见的极光不同，有些发生在人眼看不见的波段（比如紫外线），所以也更加提升了观测难度。
那麽，研究团队是怎麽发现这种紫外线离散极光的呢？那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探测器所搭载的紫外成像光谱仪（Imaging Ultraviolet Spectrograph，IUVS）！
该团队的成员 Zachary Girazian 是一位天文及物理学家，他解释了太阳风如何影响火星上的极光。
火星离散极光的发现
研究团队根据火星上离散极光的观测结果，比较以下数据之间的关系——太阳风的动态压力、行星际磁场（IMF）强度、时钟角和锥角[注 1] 以及火星上极光的紫外线，发现在磁场较强的地壳区域内，极光的发生率主要取决於太阳风磁场的方向；反之，区域外的极光发生率则与太阳风动压（Solar Wind Dynamic Pressure）关联较高，但是太阳风动压的高低则与极光亮度几乎无关。
N. M. Schneider 与团队曾在 2021 年的研究发表提到，在火星南纬 30 度至 60 度之间、东经 150 度至 210 度之间的矩形范围内，当 IMF 的时钟角呈现负值，如果正逢火星的傍晚时刻，较容易观测到离散极光；也就是说在火星上符合前述的环境条件很可能有利於磁重联（Magnetic Reconnection）——意即磁场断开重新连接後，剩余的磁场能量就会转化为其他形式的能量（如动能、热能等）加以释放，例如极光就是磁重联效应的美丽产物。
未来研究方向：移居火星
因为火星上离散极光的生成与残存的磁层有关，而磁层又关乎大气的保存。所以观测离散极光的数据资料，也能作为後续追踪火星大气层逸散情形的一个新指标。爱荷华大学的研究成果，主要在两个方面有极大的进展——太阳风如何在缺乏全球磁层覆盖的行星生成极光；以及离散极光在不同的环境条件的成因。
人类一直以来怀抱着移居外太空的梦想，火星是目前人类圆梦的最佳选择；但是在执行火星移民计画之前，火星不断逸散的大气层是首要解决的课题。缺乏覆盖全球的大气层保护，生物将难以在贫瘠的土壤存活。或许透过火星上极光观测的研究成果，科学家们将发掘新的突破点；期许在不久的将来，我们能找到火星适居的钥匙。
- 注1：IMF 的时钟角（Clock Angle）与锥角（Cone Angle）
如何判定 IMF 的角度呢？因为磁场空间是立体的关系，我们测量 IMF 方向切线与 X、Y、Z 轴之间的夹角——也就是运用空间向量的概念，来衡量 IMF 的角度。时钟角是指 Y、Z 轴平面上，IMF 方向与 Z 轴的夹角；而锥角则是在 X、Y 平面上，IMF 方向与 X 轴之间的夹角。
参考资料
- Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
- Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
- Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
- Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
- Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
- 吕凌霄。太空教室学习资料库。
- 头条汇。火星上的「离散极光」是如何形成的？物理学家有新发现，带你揭秘。
- Wilson Cheung。【北极物语】承载北极文化──极光。绿色和平。
- 大纪元。火星上的极光是如何形成的？ 科学家解谜。
- BBC News 中文。北极光：美国科学家首次在实验室验证北极光产生原理。
- 明日科学。科学团队藉由 NASA 的太空船所收集的资料得知火星大气层的流失可能肇因於强烈的太阳风。
- 台北天文馆。NASA 首次绘制火星周围电流分布图，证实火星有磁场。科技新报。
- 交通部中央气象局太空天气作业办公室。太空天气问答集。
- Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
- NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
- NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
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