芬兰业余天文爱好者与太空研究人员合作，发现了一种新的极光形式，这一现象被这位天文爱好者命名为“沙丘”。在新发表的研究中，沙丘的起源被追踪到中间层及其边界，即中层顶内形成的波导。这项研究还假设，这种新的极光形式为研究人员提供了一种研究高层大气条件的新方法。这项研究发表在高影响力期刊《AGU Advances》的第一期上。
就像天空中出现了一个未知的指纹，赫尔辛基大学计算空间物理学教授明娜·帕姆罗斯(Minna Palmroth)领导一个研究小组，开发了世界上最精确的近地空间和空间天气模拟，这些天气会导致极光产生。太阳释放稳定的带电粒子流，称为太阳风。到达地球上的电离层，即电离层，它们通过激发大气中的氧和氮原子产生极光发射，激发态以极光的形式释放。每一种极光形态都像一个指纹，仅代表极光地带的某种现象。
在分类过程中，天文爱好者指出，某一极光形式不符合任何预先存在的类别。帕姆罗斯把这些不同寻常的形式放在一边，留待以后考虑。几乎是令人难以置信的巧合，天文爱好者们再次看到了这种不同寻常的形式，并立即通知了帕姆罗斯。形状看起来是一种略带绿色的均匀的波浪图案，类似于沙滩上的条纹云幕或沙丘。天文爱好者马蒂·赫林说：我们研究合作中最令人难忘的时刻之一，就是在那个特定的时间出现了这种现象，我们能够实时检查它。
极光新揭示的波浪
对这一现象的研究已经启动，业余天文爱好者的观察和科学方法结合在一起来解释这样的极光波浪。这就像拼凑拼图或进行侦探工作，每天都会发现新的图像，想出新的点子，最终，我们找到了真相。这一现象是在芬兰西南部的莱蒂拉和罗韦西同时拍摄，在这两张图像中，极光发射中观察到的细节相同。Palmroth团队的博士后研究员马克西姆·格兰丁(Maxime Grandin)确定了发射背后的恒星。
并在天文学软件程序Stellarium的帮助下，确定了恒星的方位和高度。这使得在计算极光现象的高度和范围时可以使用恒星作为参照点。格兰丁发现，极光沙丘出现在相对较低的海拔100公里处，位于中间层的上部，测得波场波长为45公里。芬兰业余天文学家协会(URSA)维护的“太阳观测”(“天空观察”)服务进一步确认了总共七个类似事件，相机记录到了相同的均匀波浪图案。
未勘探区域
地球电中性大气与太空边缘相遇的极光带部分，对卫星和其他空间仪器来说是一个极具挑战性的环境，这就是为什么它是地球上研究最少的地方之一。由于难以测量发生在80至120公里高度之间的大气现象，有时被科学家称这一区域为‘无知圈’。沙丘是在极光带那个特定区域被精确观测到的，这种观察到的现象将研究人员引导到了大气研究和空间研究之间的中间地带，因为通常的空间物理学方法论无法单独解释它。
沙丘波的亮度差异可能是由于来自太空不带同电粒子的差异，或者是底层大气氧原子中的波造成，研究最终提出沙丘是氧原子密度增加的结果。接下来，研究小组必须确定大气中氧原子密度的变化是如何导致如此均匀而广泛的波场。通常在研究高度，有许多不同类型的重力波在不同的波长、不同的方向传播，这就是为什么它们不容易形成沙丘所表现出均匀波场的原因。
这项研究表明，所讨论的现象是一个中间层钻孔，这是一种发生在中间层的罕见且鲜有研究的现象，涌潮现象是许多河流共有的一种波浪，潮汐沿着河道逆流而上，各种类型的重力波在大气中产生，然后上升。在极少数情况下，重力波在中层顶和中层顶下方间歇形成的逆温层之间上升时会被过滤。逆变层使滤波后的波发生弯曲，使它们能够在没有衰减的情况下通过通道进行长距离传播。当钻孔中的氧原子与沉淀到大气中的电子相撞时，它们就会被激发。
将重点放在大气层上
当释放这种激发时，它们会产生极光。这就是为什么到目前为止被认为是极具挑战性的研究课题（中间层钻孔）偶尔可以用肉眼看到的原因。在此之前，在极光带没有观测到中间层钻孔，也没有通过极光发射对它们进行研究。由于极光辐射削弱了用于识别中层钻孔的技术，所以在针对钻孔的研究中，极光区作为一个整体通常会被打折。传统上，专门研究大气和空间的研究人员在很大程度上是相互独立地调查他们感兴趣的主题。
这是因为在沐浴在带电粒子子中的电离层和中性大气之间只有几种已知的相互作用机制。在芬兰气象研究所操作的测量设备的帮助下，发现沙丘极光的同时出现，并且位于源自空间的电磁能量转移到无知层的同一区域。这可能意味着从太空传输到电离层的能量。可能与中间层逆温层的形成有关，就物理学而言，这将是一个令人震惊的发现，因为它将代表一种新的、以前从未观察到的电离层和大气层之间相互作用机制。
博科园｜研究/来自：赫尔辛基大学
参考期刊《AGU Advances》
DOI: 10.1029/2019AV000133
