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話說磁副暴 |
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全球極光 (global aurora) 的概念是花了一段時間並匯集了許多的資料後才發展出來的，在國際地理年 (During the International Geophysical Year, IGY, 1957-58)，世界各地的太空科學家協調合作，使得所有人都在同一個時間點上在世界各地上去紀錄極光的變化，全球超過 100 座的全天象照相機被設置來觀察極光的變化。透過對資料的分析，兩個在極光物理領域的重要概念自此誕生：〝極光橢圓圈〞(auroral oval) 和〝極區磁副暴〞 (auroral substorm)。 |
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極光橢圓圈 |
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利用來自國際地理年全天象照相機所得的資料，一位日本的研究生Shun-ichi Akasofu，是早期了解到在北極的全球極光是橢圓狀環繞著北磁極的光 - 極光橢圓圈的其中一人，他在 1994年的第二屆磁副暴國際研討會的會議記錄上寫下了他發現極光橢圓圈的個人經驗：
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所有的國際地理年的影片都存檔在地球物理研究所，大約是在同一個時間，有人跟我說 Joe Chamberlain (一位廣為週知研究極光的教授) 已經完成了一本權威性的書籍，完善到在極光領域中幾乎沒有新的事物好研究了，這對 一個遠自日本而來的年輕研究生真是個壞透的消息。 |
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那本書的厚度打消了我想要去研讀的念頭，因此我決定就我自己的觀察去研究極光，我第一件注意到的事是極光在傍晚的時候似乎都是出現在北邊的地平線，隨著時間越來越 晚就越向南邊移動，在過午夜之後極光又會慢慢的回到北邊，這現象在當時已為大家熟知，但在 Chamberlain 的書中卻沒有對這為人所熟知的現象提出任何清楚的解釋。 |
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在看過全球許多不同測站的全天象照相機同時拍攝下來的資料後，Shun-ichi Akasofu了解到極光是在環繞著地球磁場的橢圓區域發生的，因此我們可以很清楚知道並不是極光在移動，而是因為地球是位在全球極光橢圓圈下轉動，因此極光對於地球表面的測站而言，相較於在傍晚和清晨的時候，極光的位置在午夜 時分是比較南邊的。在同一時期，1960 年到 1963 年，另一位德國太空科學家 Yasha Feldstein 也發表了相同結果的文章，不過還是花了科學界許多年，透過資料和研究結果的了解，才慢慢接受極光橢圓圈的概念。 |
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自太空往地球上方看的套色極光模型圖，紅色代表極光最亮的地方，而藍色代表最暗的地方，可以看到最亮的地方是午夜。此影像為Holzworth 以及Meng 所提供。 |
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極區磁副暴 |
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Shun-ichi Akasofu 同時間也開始更仔細地觀察全天象照相機的資料，他在會議記錄中寫下： |
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在當時，一般確信相對於太陽而言，極區的活動有固定的模式：在傍晚時極光呈現相當安靜單一的極光弧形態，到了午夜極光的活動變得相當活躍，而到清晨時則為不勻稱的極光滿佈，因為地球一天自轉一次的模式。由結果來看，站在地球的一個定點上，極區就像經歷了一個日變化一樣，從相當安靜單一的極光弧形態，到變成活躍放射的極光弧，最後是不勻稱的極光滿佈，由地球的自轉帶著地面上的觀測者看過一輪這個固定的模式。 |
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. . . . 透過檢查許多來自測站的全天象影片，並沒有給我同樣的想法，即便是只看單一的測站的資料。舉例來說，來自加拿大薩斯卡通全天象照片顯示，極光在一個晚上之內經歷了這三個階段的轉變三次，這結果對我來說，要不是固定模式的概念是錯的，就是地球在一晚上自轉了三次，結論便顯而易見。當我們將同時攝自於西伯利亞、阿拉斯加和加拿大的全天象照片一起檢視，發現極光在橢圓圈的一個特別的區域同時經歷了一個大尺度的變化。 |
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而這便是〝極光磁副暴〞一詞使用的開始，Shun-ichi Akasofu 透過對全天象資料的觀察，繪下極區磁副暴的示意圖，並於1964年發表了他的研究成果，當衛星 (如 ISIS2 在 1973 年、DMSP 在 1974 年、Kyokko 在 1981 年以及 DE1 在 1982 年) 開始進入太空中研究極區後，科學家確切地見到了 Shun-ichi Akasofu 已繪下的現象：極區磁副暴。 |
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自1964年起，磁副暴發展的各個階段已被命名 。在極區開始變得活躍之前一開始安靜的時期，此時期稱之 為成長期 (growth phase)；當極光從緩慢移動的單一極光弧發展成許多躍動的極光型態時，我們稱之為磁副暴起始 (substorm onset)；之後快速移動的極光布滿整個天空，此時期稱之為極光破展期 (breakup phase)，之後成為不均勻一閃一閃的極光，此時期稱之為恢復期 (recovery phase)。西蜜斯任務將會找到是什麼因素造成了磁副暴起始。 |
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這些圖畫是 Shun-ichi Akasofu 所發表介紹全球極光發展概念的文章中所繪的，他稱此為磁副暴 (substorm)。 |
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從太空中看極區磁副暴 |
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許多衛星上的照相機在拍攝地球和極區時所使用的是我們看不到的光：紫外光，而不是使用我們看得到的可見光，當我們利用紫外光去看地球時，我們看不到陸地和海洋，我們可以看到的是在上層大氣發光的氣體，我們可以透過紫外光去看到北極光 (南極光) 環繞著北極軸(南極軸) 形成一個極光橢圓圈。 |
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| 上圖是一組透過紫外光去看極區和地球高層大氣所成的連續影像，發亮側是受太陽光照亮的大氣層 (即太陽位於右下方)，而橢圓光圈則為極光。我們可以看到極光橢圓圈在某個區域發亮，然後突然開始破展並向地球極區以及赤道方向爆發開來，這就像Shun-ichi Akasofu 他所繪的極區磁副暴示意圖一樣。 |
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