撰文：小章鱼（挪威奥斯陆大学空间物理博士）

编辑：刘小鸥

1859年9月2日，北美的一位电报员像往常一样上班。当他在发送一份电报时突然觉得身体一阵痛麻，随即触电倒地。被送进医院后才发现，他并不是今天第一位触电的电报员。与此同时，北美与欧洲的很多电报机都无法正常工作。人们看见与电报机相连的电缆塔不时冒出火花。当天晚上，从澳洲到非洲，从美洲到欧洲，很多地区的人们，都看到了夜空中强烈舞动的极光。

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时间来到一百多年后的2005年5月，类似事件再次发生。北美地区的电网大面积瘫痪，通讯卫星信号严重受损，GPS卫星导航系统发生故障。到了夜晚，极光又出现在高纬许多地区。

而与一百多年前有所不同的是，致力于北极光研究的物理学家们，正在试图找出极光影响全球卫星定位系统信号扰动的物理机制。极光是如此的美丽与神秘，而极光产生背后所隐藏的物理过程则与我们的日常生活息息相关。

极光是什么

奋力奔跑的北极狐，尾巴扫在雪地上，扬起雪粒，映在夜空，这是古芬兰人眼里的极光；不幸的婴儿，还没来得及体验世界就在出生时夭折，灵魂在天空起舞，这是格陵兰原住民心中的极光；战场上厮搏的敌人，被杀死后愤怒的魂魄聚集在夜空准备复仇，这是福克斯族印第安人传说里的极光。

地球的上层大气按粒子成分和电离状况不同，可分为电离层和非电离层。电离层是具有电中性的等离子体，由带电粒子和大量中性粒子成分所组成。当来自于太阳的粒子进入地球磁层空间，并沿地球磁力线回旋运动到达名为“电离层”的上层大气。与这里的原子和分子碰撞，导致电子能量跃迁的光子的释放，极光则由此产生。

入射粒子能量的不同，决定了这些粒子与上层大气作用的高度；而入射粒子通量的不同，则在一定程度上决定了极光所产生的对应强度。因此，极光的颜色和发光强度，其实客观上反映了注入上层大气的粒子环境变化。在不同高度上，氧与氮含量不同，被激发的主要原子也就不一样，极光因此出现各种绚烂的色彩。比如最常见的绿色极光是因为氧原子被激发，而不容易被肉眼看见的低处蓝光则是氮的功劳。当太阳活动剧烈时，强烈的太阳风暴释放大量的高能粒子，它们造成的极光强度就明显比太阳活动平静期的极光强度要高得多。

电离层的扰动

如果将电离层理解成一层流体，流体里面的“不规则体”则是在原本均匀的低密度电离区域周围出现了高密度的粒子流。这些低密度与高密度粒子团之间的能量物质耦合，造成了电离层环境扰动现象。极光就是这种扰动现象的始作俑者之一。

电离层的粒子环境变化可以通过电子密度反映。当电离层环境保持稳定时，我们就可以利用这一层“带电”气体来进行地面无线电波信号的弹跳传输以及地空之间卫星信号的传输。例如，利用来自大约20000km高度的在轨卫星与地面网路接收站进行电波通讯的准确信息，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems，GNSS）信号可以帮助我们的GPS设备正确工作。

但当太阳活动以及地球周围空间环境发生变化时，来自外层的粒子注入则打破了宁静的电离层环境。极光所在的位置，更是产生了许多极端的电离层环境扰动。这就是极光与通讯事件背后的“冥冥注定”，历史上那些全球性通讯受到影响的时刻，往往都伴随着极光的出现。

极光与GPS

尽管发生过那么多严重的通讯事件，但我们并不了解极光真正的“捣乱机制”。科学家一直假设，极光中的电离层环境扰动是罪魁祸首。

为了更深入地理解极光相关的扰动现象是如何实时影响GPS信号的，来自英国的研究团队前往挪威，在特罗姆瑟（Tromsø）进行实地观测和研究。当北极光出现在电离层上空时，他们利用GNSS地面接收机信号以及地面高频雷达信号，来判定极光对不同接收信号的质量影响。用专业术语来说，也就是利用GPS信号强度闪烁指数，来衡量电离层的扰动程度，科学家们试图建立起GPS信号闪烁与电离层扰动的参数模型。

但是，得到预想的结果并不容易。

在大量的实验过程中，强度闪烁指数一直很小，而且稳定在一定的波动水平。在电波信号经过极光发光区域时，并不是所有极光所引起的电离层环境扰动都能导致强度闪烁指数的变化。电离层电波环境扰动并不一直存在于极光中，这表明，这些诡异的信号中断中极可能存在未知的机制。这就像在浩瀚的夜空中，我们能看到不同的星星存在不同程度的闪烁，这是由于来自星星的光线，在穿越进入人们眼睛前，经历了不同的宇宙尘埃和大气尘埃。而在科学探索中，对科学家而言，想要将所有星星不同的闪烁程度和它所经历的传输环境之间建立起有效的数学模型，则是一个巨大的难题。

极光和电离层扰动与人类通讯生活如此息息相关。在未来，甚至可能就不远的将来，那些糟糕的历史事件必然会重演。科学家仍然希望，可以通过长期的观测和计算来找到隐藏在极光里面的电波秘密。极光也给科研工作者们提供了天然的环境，去探究未知的空间天气灾害及其影响。

参考文献：

1. http://goodnature.nathab.com/fifteen-native-tales-about-the-northern-lights/

2. http://www.sciencealert.com/turns-out-we-have-no-idea-why-the-northern-lights-wreak-havoc-on-our-satellite-technology

3.Forte, B. et al. (2017), Identification of scintillation signatures on GPS signals originating from plasma structures detected with EISCAT incoherent scatter radar along the same line of sight, Journal of Geophysical Research,122(1), 916-931

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