斯堪的纳维亚雷达阵列将探测极光之谜
2017年拍摄的一组影像看起来很奇怪——在挪威斯瓦尔巴群岛上方苍白的冬日天空中，一道道微小的绿色光斑悬浮在极光光幕周边。这些碎片状类极光辐射跨度仅有几千米，持续时间不足一分钟。最令人费解的是，它们似乎完全不受塑造常规极光轮廓的隐形磁力线的约束。“这种小东西实在太过奇特。”挪威斯瓦尔巴大学中心的空间物理学家Katie Herlingshaw表示。
瑞典境内的天线阵列是欧洲3套三维非相干散射雷达观测站之一，专门接收高层大气反射的雷达脉冲信号。图片来源：欧洲非相干散射协会
一台重要的新仪器可能最终会找到答案。据《科学》报道，今年秋季，总部位于瑞典的欧洲非相干散射科学协会（EISCAT AB）计划正式启用一台耗资6500万美元的新一代雷达系统——欧洲非相干散射三维雷达（EISCAT_3D）。依托这套设备，科研人员得以以前所未有的方式探测高层大气。EISCAT AB 科学主管Thomas Ulich介绍，这套横跨斯堪的纳维亚北部搭建的雷达阵列组合，有望成为“全球最先进的非相干散射雷达”，能够全景观测电离层在太阳风暴冲击下的扰动状态。
地球磁场的磁力线会将高能粒子汇聚至两极附近的大气层，因此斯堪的纳维亚北部是观测大气扰动的绝佳区域。这类扰动是一个科学谜题，不仅干扰高频无线电通信、增加近地卫星的大气阻力，还会让GPS及其他空间导航系统信号在穿过受扰动等离子体时出现信号闪烁。EISCAT_3D将帮助科学家更好地理解这些威胁，同时还能追踪日益增多的空间碎片群，这也是对航天器构成的另一大风险。
这些现实应用价值让EISCAT_3D的落地显得尤为紧迫。对科研工作者而言，该仪器的首次亮相恰逢一个科学上令人着迷的时机。“我们正处在极光探索的黄金时代。”瑞典空间物理研究所的Stephan Buchert称。
许多惊喜来自全球的极光观测者网络。芬兰气象研究所的空间物理学家Maxime Grandin介绍，19世纪以来，船长、修道士等业余观测者就会将极光观测记录寄给斯堪的纳维亚的科学家。如今，借助社交媒体和智能手机拍摄的带有精确时间戳的图像，“民间科研爱好者彻底革新了极光研究领域”。
Grandin表示，这场全新研究时代的开端，源于STEVE现象的发现——一道紫色光带，横跨数百公里，出现在天空中比普通极光更靠南的位置。直到2010年代初，极光爱好者在网上分享实拍照片后，这一奇观才引起广泛关注。科研人员结合照片与卫星观测数据，最终证实STEVE现象与大气上层一个狭窄的高温等离子体通道以及高速带电粒子流相关。
在民间观测者的助力下，人类发现的极光种类不断丰富，与STEVE伴生的波浪状“沙丘极光”、快速流动的绿色条纹“栅栏极光” 相继被记录。最近，斯瓦尔巴当地科研团队又发现了新奇观：微弱的淡粉色“幽灵极光”，可能由高激发态氮、氧分子形成。这些极光进一步增添了神秘色彩。
大约10年前，极光爱好者开始陆续观测到这类碎片光斑，其成因至今没有定论。斯瓦尔巴群岛周边已记录数百次该现象，这片区域的特殊地理位置或许是破解谜题的关键。该群岛地处地球磁场日侧尖点下方，这片漏斗形区域会引导太阳带电粒子涌入地球高层大气，催生常规极光。但当地观测到的碎片状类极光辐射的形成机制截然不同，源自电离层内部自身活动。Herlingshaw坦言：“我们尚未掌握这一现象背后的基础物理原理。”
EISCAT_3D有望拨开迷雾，揭示碎片状类极光辐射及其他新型极光现象的内在形成机制。在芬兰、挪威、瑞典、中国、日本和英国等成员国的支持下，该组织已在挪威安装了一套发射-接收阵列，向高层大气发射强雷达波束；同时，在芬兰和瑞典部署了数千个接收天线，用于捕捉电离层中自由电子散射出的微弱回波信号。
Grandin将现有非相干散射雷达比作“在冰川上钻小孔”，只能沿狭窄视线探测大气。相比之下，EISCAT_3D 的3组天线阵列的将“绘制整片天空”——系统能够构建高层大气三维图像，让科学家完整观测碎片状类极光辐射等现象的空间全貌。
Ulich表示，若无不可预见的突发故障，EISCAT_3D 的部分阵列将于今年年底投入运行，恰好赶上太阳11年活动周期极大期的尾声。项目团队目前正在制定非成员国科学家的雷达观测使用分配方案。Herlingshaw认为，全球科研需求将会十分旺盛，因为EISCAT_3D 必然会发现诸多人类从未预想过的空间现象。
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