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• 極光的成因來自於地球磁場驅動磁層，其中的帶電粒子撞擊高層大氣的中性粒子，產生特定波段的光輻射；若與不同粒子作用，就會發出不同波長的光。
• 由臺灣與日本合作的ERG 衛星任務鎖定范艾倫輻射帶區域觀察，分析太空電漿環境變化，並已從中發表許多重要的科學成果。
• 科學家透過距離地表超過三萬公里遠的ERG 衛星，發現了極光電子加速區的特徵結構，打破了過去幾十年來以往的舊有認知。

對於科技已相對發達的現代，夢幻的南北極光不再是神祕或難以解釋的異象，而是許多人列為一生中必須親眼見證的自然奇景。更有許多以極光之旅為號召的國際旅遊行程，對於身處在亞熱帶的臺灣人特別具有吸引力。

相信在資訊發達的現在，隨機街訪時應該已有相當比例的人可以回答為何極光現象不會出現在臺灣上空，而是多半只出現在高緯度區域這個問題。然而極光絢爛色彩、形態多變的背後，牽涉的其實是更為奇妙的自然界物理法則。

地球的南北半球高緯度區域會有絢麗的極光在天空中舞動，最主要的原因之一就是地球是具有磁場的星球。磁場能量可以將帶電粒子束縛在其中，而帶電粒子沿著磁力線的方向移動，在地球的磁層（magnetosphere）與電離層（ionosphere）之間來回彈跳運動（圖一），在符合某些條件下，最終在磁力線的末端⸺也就是南北磁極點周圍區域⸺帶電粒子會進入到高層大氣或電離層中撞擊中性粒子，產生能階躍遷後形成特定波段的光輻射。所以當帶電粒子與不同種類的原子或分子作用，就會呈現不同色彩。常見的極光有紅光（波長630.0 奈米，氧原子光譜）、綠光（波長557.7 奈米，氧原子光譜）、藍紫光（波長427.8 奈米，電離的氮分子光譜）等，極光形成之處距離地表的高度也會因著大氣成分與結構而有所不同。

圖一｜極光因帶電粒子來回跳動產生。

在地球的周圍環境，帶電粒子沿著地球的磁場線進行來回彈跳（bounce motion）。
而圖右的逸損錐代表同一磁力線上，弱磁場和強磁場的比值所定義出來的角度而形成的圓錐體，此角度為粒子最大可入射角度。

若依外觀和產生機制而言，極光可以區分為擴散極光（diffuse aurora）和分立極光（discrete aurora）兩類。所謂的擴散極光，是由被磁力線束縛住的帶電粒子沿著磁力線移動，當高度降低以致接近極區時，如果粒子符合進入逸損錐（loss cone）的條件，就會成功進入地球電離層而形成極光。由於這類的極光是透過帶電粒子如綿綿細雨般地沉降進入極區附近的高空，因此擴散極光一般呈現均勻分布的霧狀，無特定形態。

另一類極光被稱為分立極光，指的是非均勻分布且具有特定形貌的極光。這類的極光通常具有高光強度的特徵，主要由地球磁層中的磁力線和電漿環境的快速變化所導致，之所以會有這樣的變化，時常與太空環境中的劇烈擾動事件有關，例如地球磁暴（geomagnetic storm）或副磁暴（substorm）等。而這些太空環境擾動事件中，磁場發生強烈的擾動，在能量釋放過程當中提升粒子數量或能量，並與磁力線互動下而形成各式特殊結構的極光，例如弧狀極光（arc aurora）或窗簾狀極光（curtain aurora）等（圖二）。

圖二｜弧狀極光（123RF）

ERG 衛星任務
在臺灣，我們除了執行自己國家的衛星計畫，也會參與國際間共同合作的衛星任務，例如臺日合作的ERG 衛星任務，全名為近地太空環境之能量與輻射探索計劃（Exploration of energization and Radiation in Geospace），顧名思義就是探索地球周圍磁層中，太空環境的電漿能量與輻射的分布及變化。該計畫主要觀測的範圍涵蓋了整個范艾倫輻射帶（Van Allen radiation belts），此區域內充滿了最猛烈的高能粒子，甚至會出現相對論性電子，又稱為「殺手電子」（killer electron），這類高能量的粒子可能會造成衛星故障並縮短使用壽命。因此ERG衛星觀測著地球周圍最險峻的輻射帶區域，也就是監控著太空天氣（space weather）的變化。

該衛星順利升空運作之後，日本授與它別名「あらせ」（Arase，荒瀨號），此名稱的由來之一是以一條流經內之浦太空中心所在的河川來命名，此河川素來水流湍急，藉此象徵著該衛星任務所處的范艾倫輻射帶區域的太空電漿環境，充滿了強烈擾動及不穩定。此外，在這條河川周遭，時常可聽見鳥類的歌聲，所以此命名也隱喻了ERG衛星在太空中量測到「合唱波」（chorus wave）的頻率被轉換成聲音時，聽起來就像是優美的鳥鳴之音。

ERG衛星計畫是由日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）所主導的一項科研任務，衛星上搭載了九組科學酬載，用來觀測太空電漿環境變化的相關數據，九組科學酬載彼此相互搭配以達成所追求的科學目標。參與此研發製作的團隊超過30 組，臺灣團隊是唯一非日本國內的團隊，由中央研究院天文及天文物理研究所（ASIAA）及成功大學太空與電漿科學所（NCKU/ISAPS）共同組成，主要工作是研發其中一項科學酬載──低能量電子靜電分析儀（LEP-e），此儀器負責量測太空中12 eV（電子伏特）～ 20 keV（千電子伏特）能量的三維電子分布情形。除了低能量電子外，衛星上還搭載了能夠量測中、高、極高能量的電子量測儀，低、中能量範圍的離子量測儀，涵蓋不同頻率的電場與磁場量測計，以及電漿粒子與波動方向分析器。

去（2022）年中至少已發表了230 篇以上的重要國際論文，當中更不乏有多篇《自然》（Nature）期刊等級的頂尖期刊論文。

極光電子加速區的新發現
極光發生在地球的電離層，一般大約在距離地表80～1000 公里左右的高度，如同本文章前面所介紹，這些發光機制的源頭來自磁層的電漿粒子，所以磁層－電離層的耦合研究，在了解極光物理機制時是必備的基礎。而在ERG 衛星任務中很重要的一環，就是衛星與地面測站的聯合觀測，透過同時間的數據比對和分析，可以了解當事件發生時的連動關聯性。

舉例來說，當分立極光出現時，代表此時的帶電粒子擁有更集中的入射角度及更高的能量，意謂著當粒子移動到靠近地球電離層的區域時，所受到的電場加速更加明顯，也就是一般所稱的U 型電位加速區（也稱為能量倒V 加速結構），然而U型電位加速區所能延伸的範圍不明，過去也缺乏觀測資料予以佐證。因此想要了解分立極光與粒子加速區的關聯性，就必須同時透過地面影像觀測站和現地（in-situ）量測的科學衛星兩者搭配。ERG 衛星科學團隊利用ERG 衛星及THEMIS 極光地面影像系統進行長期的聯合觀測，發現一個明顯的分立極光事件，但令人驚訝的是，在距離地表超過三萬公里遠的ERG 衛星，居然量測到了電子加速區的結構特徵（圖三）。這個結果遠遠超越過去數十年來太空科學家一般公認的模型，也就是極光電子加速區並非僅出現在過去所認知的距離地表數千公里高，而是延伸深入到超越三萬公里遠的磁層區域。這項重大發現於2021 年時被刊登在《自然》期刊出版社旗下的《科學報告》（Scientific Reports）期刊中，圖三為此研究論證的示意圖，分別顯示地面影像站、荒瀨號衛星以及U 型電位加速區的相對關係。

圖三｜改寫極光粒子加速區的重要發現（作者提供）

極光粒子的加速區若位在不同高度，會帶來怎樣不同的影響呢？想了解這個問題，就必須先從地球附近的太空環境開始認識。首先，地球的半徑約為6370 公里，距離地表約2000 公里左右約為電離層的邊界，原先認知的極光電子加速區的位置就接近這個區域，約為2000～5000公里左右，也就是帶電粒子沿著磁力線移動到這個高度時，才會被加速接近電離層，所以粒子最終的能量與加速區相互關聯。相對的，如果加速區移到距離地表約三萬公里的地方，也就是大約五個地球半徑的距離，這個區域正是地球高能輻射帶（2～6個地球半徑）所覆蓋的範圍。

這樣一來問題就變得相當複雜，幾十年所累積的極光物理知識，甚至是近地（near-Earth）太空環境的基礎模型，將有可能需要被重新修正或定義。地球輻射帶是磁層中能量最高的區域，裡面充滿著各式高能粒子及電磁波，所以粒子和波的交互作用在這個區域特別活躍，一旦U 型電位加速區延伸進到此區域，表示加速區域是由一些未知的磁層機制所形成，科學家將無法判定何種關鍵因素是控制粒子最後入射電離層的條件，也無法明確指出形成分立極光的帶電粒子最初始的機制為何。

從這個案例可以了解，即使在科技發達的現代，很多基礎科學還是很可能因為觀測技術的進步，又或者是在更多數據的佐證下而被改寫。所以人類探尋大自然的腳步不能停歇，必須時時刻刻以謙卑的態度繼續追尋一切萬物的真理，相信大自然中還埋藏著許多的寶藏等著人類挖掘。
 
延伸閱讀
Imajo, S. et al. (2021). Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes. Scientific Reports, 11, 1610.