没有大气层能有极光吗？水星来回答
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极光，是唯一肉眼可见的空间物理现象，因其常出现在地球南北两极地区附近，故称为极光。
你知道吗？不仅地球上有极光，别的行星上也有！
对极光的漫长探索：从古至今，从地球到地外
地球上的极光是由于来自磁层和太阳风的带电高能粒子被地磁场导引带进地球大气层，并与高层大气中的原子碰撞造成的发光现象，其形态多样，一般有带状、弧状、幕状、放射状等，这些形状时而稳定，时而连续变化。
极光现象（图片来源：Veer图库）
极光的颜色取决于极光生成高度处的大气原子类型及其所吸收的能量，最为常见的是绿色和红色的极光，也有蓝色或紫色的极光，偶尔也有绿光和红光按比例混合而成的粉红色或黄色的极光。
早在数千年前的历史时期，壮丽的极光现象就被世界各文明记载，见证了人类对自然世界的探索与人类文明的演进。
位于智利帕拉纳尔天文台的可见光和红外天文学巡天望远镜（VISTA）观测到的大气发光现象
（图片来源：(LCO)/ESO）
随着现代科技的飞速发展，深空观测技术为我们提供了独特的视角，使我们能够观测和研究地球以外其他天体的极光现象。
早在20世纪90年代，哈勃空间望远镜就捕获到了木星的极光。卡西尼号探测器的窄角相机于2009年10月5日至8日期间在土星北部上空拍摄到了闪烁的极光。
人们在金星和火星上也曾观测到过极光。由于金星和火星没有像地球、木星和土星一样的全球偶极磁场，其极光产生的位置较为分散，并不集中于两极地区。
NASA发布的哈勃空间望远镜在1998年1月拍摄到的木星极光照片
（图片来源：NASA）
除了这几颗行星外，还有其他行星上有极光现象吗？
答案是：有。
最近发表在《自然∙通讯》上的一篇题为《Direct evidence of substorm-related impulsive injections of electrons at Mercury》的文章，带我们走进了太阳系中最靠近太阳的行星——水星，揭示了这颗行星上与极光相关的发现与探索。
论文截图
（图片来源：《自然·通讯》杂志）
这一研究或许能证明水星上出现极光或类似极光现象的可能。
水星：理解极光生成的新视角
水星，这颗距离太阳最近的行星（水星温度能达到420摄氏度），一直以来都是科学家们的研究焦点。
水星拥有一个较弱的磁场，与太阳风的相互作用形成了一个小型的磁层。水星的磁层是一个充满活力的地方，受到太阳风相互作用的影响，产生了一系列复杂的物理过程。
与地球相比，水星的磁层更加紧凑，磁层的大小约为地球磁层的5%，磁层与行星表面的距离大约为水星半径的1.45倍。
这使得水星的磁层经历了快速重构和变化，其中一个关键过程被称为Dungey循环。在Dungey循环中，等离子体被加速、输送、损失和循环运动，从而形成了各种“神秘”的现象，例如水星外部的环形电流，水星亚暴等等。
水星磁层示意图
（图片来源：(a)中国科学院地质地球所石振；(b)北京大学宗秋刚团队）
然而，我们对水星上的这些过程知之甚少，水星上是否存在极光现象也是未解之谜。
直到2021年10月1日，欧洲空间局（ESA）与日本航空航天局（JAXA）合作的探测任务“BepiColombo”首次飞越水星，为我们理解水星这颗神秘行星的空间环境提供了新的见解。
在BepiColombo号的首次水星飞越中，科学家们观测到了水星磁层的显著压缩特征。
水星的磁层与太阳风的相互作用，使得水星磁层被压缩，该压力估计比以前的MESSENGER任务观测到的平均值还要高出两倍以上。
这意味着水星的磁层在太阳风的影响下发生了快速变化，这种现象的出现为后续的观测提供了重要的背景信息。
BepiColombo号第一次飞跃水星期间对向水星表面析出的电子进行观测
（图片来源：Sae AIZAWA）
在BepiColombo号进入水星磁层后不久，科学家们观测到了高能电子的能量-时间色散现象（不同能量的粒子被分开），这是以前在水星上从未被观察到的一个特征。同时，能量范围在100eV到数keV的电子呈现出明显的通量增强，并具有清晰的周期性波动，周期为30-40秒。
观测到的能量色散电子（红色箭头指示电子通量周期性波动）
（图片来源：Sae AIZAWA）
这些特征表明，这些电子在水星磁层的近磁尾区域被加速，随后快速漂移到日侧区域，再注入到闭合磁场线上，最终沉降到表面。
这个过程被称作“电子注入”，其为极光的产生提供了“绿色通道”。
在地球上，高能粒子进入通道后，激发了大气中的原子，最终产生极光。但是与地球不同，水星上几乎没有大气，电子在进入通道后，无处发力，因此在水星上尚未观测到类似地球的极光。
地球的电子注入示意图
（图片来源：南方科技大学杨剑团队）
结语
虽然这项研究没有直接观测到水星上的极光，但观测到了与极光生成密切相关的一系列物理现象，这为我们揭开行星极光奇观背后的奥秘提供了新的视角，让我们更全面地认识了行星极光的生成机制、演化过程以及不同星体与太阳之间错综复杂的相互作用关系。
随着太空探测技术的不断进步，我们相信，水星将继续为我们带来更多的惊喜和发现，揭示太阳系中星球之光的奥秘。
本文由科普中国出品，中国科学院地质与地球物理研究所制作，中国科普博览监制， “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
作者：王誉棋
作者单位：中国科学院地质与地球物理研究所
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