大灾难来临时，天空中都会出现这种大型奇异现象，科学家正在用它保护我们

欧洲航天局的Alexander Gerst拍摄的照片，在地球高空 (大约100km的地方) 有一条黄/橙线，其上方模糊可见绿色气辉。图片来源：维基百科

撰文｜clefable

审校｜王昱

每当夜晚来临，天空中除了明亮的星辰，还有大气中的气辉（Airglow）在持续“闪烁”。

在距离地表50千米以上的大气层中，空气中的分子和原子会持续吸收来自宇宙的高能紫外线、X射线，进而电离成自由电子和离子。自由电子和离子重新结合后，会释放光子，形成气辉。气辉是行星大气内部释放的微弱的光，也是大气电离层（从50千米延伸至数百千米的范围）的一部分。

图片中红色和绿色区域正是气辉 图片来源：Y. Beletsky (LCO)/ESO

我们平时很难用肉眼看到气辉。不过透过一些美丽的星空照片中，气辉确实可见，比如照片中绿色和红色的区域。这些气辉为星空照片增加了几分神秘的美感。

另一方面，极光也算得上一种极端的气辉——来自太阳的大量高能粒子与大气电离层发生碰撞，促进气体激发或者是更近一步电离。当这些离子重新结合时，就会释放光子形成极光。

不过，气辉并不只会受到来自宇宙的影响，一些科学家意识到，地球本身也能对大气电离层或气辉产生重要影响，我们甚至可以用它追踪一些大型自然灾难的爆发，包括火山爆发、海啸等等。

大气中的离子波动

故事的起点需要从全球的卫星导航系统说起。卫星导航系统可以为全球提供精确的时间、地点和速度信息。它最重要的两个部分分别是导航卫星和地面接收端。导航卫星发出的信号需要经过大气的电离层，才能到达接收端。

导航卫星发出的信号受电离层中带电粒子的影响，抵达时间会产生延迟。为了避免这种延迟，科学家想出了一个较好的方法：让导航卫星同时在两个不同的射频载波频率上发送信息，因为不同频率电磁波的延迟也不同，接受端就能通过计算消除电离层带来的延迟。

20世纪70年代，在导航系统形成的初期，一部分科学家意识到，当两个不同的射频载波频率传递的信息在不同时间出现异常时，就可以反应大气电离层中的电子密度变化。通常情况下，从50千米延伸至数百千米的高空，离子浓度会有明显的差异，比如从50～90千米之间，空气中离子为每立方厘米10²～10⁴个，越往高空，离子数会进一步增加。

如果说地球内部有什么因素能导致这个高度的大气电离层变化，通常都是由于下方剧烈的空气波动，这一般是火山爆发、海啸和地震等剧烈的自然现象。美国国家大气研究中心的数据科学家杰弗里·安德森（Jeffrey Anderson）认为，“这是聪明的人跳出固有思维模式思考的成果。”

汤加火山爆发就是一个典型的案例。根据美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室管理的差分全球定位系统（GDGPS）的测量结果，这次火山爆发的威力相当于4至18兆吨的TNT炸药爆炸，其产生的冲击波强度足以扰动大气的电离层。

去年7月，中国科学院国家空间科学中心等机构的研究人员也在《大气化学和物理》（Atmospheric Chemistry And Physics）杂志上发表了一项研究，分析了2022年1月汤加火山喷发时大气受影响的情况。在论文中，他们利用地面的气辉成像仪网络，在我国的上空观察到了5组强大气波，主要是在80千米～105千米的高空区域。

汤加火山爆发引发的海啸在太平洋的传播 图片来源：NOAA’s National Geophysical Data Center (NGDC)

其中直接由火山爆发冲击大气产生的大气波，主要有两组波，它们都是以接近声速的速度（大约为309m/s）传播。这些波的频率很低，波长很长，可以传播很远但能量消耗较少——这种情况十分类似于海啸在深海中的传播。

汤加火山爆发时，分别间接和直接触发了海啸，并在海气界面产生了向上传播的声-重力波。这种波可以垂直向上传播，达到高层的大气区域，直接影响大气气辉或者电离层。在论文中，研究人员还发现这种声-重力波在进入高层大气后，被困在了一个波导结构内，随后变成了水平传播，并传播了近3000千米，到达了中国的内陆。

生死时速

2022年，安德森和美国加州理工学院喷气推进实验室的科学家Léo Martire、孟醒等人在GPS Solutions杂志上发表论文，公布了一款用于自然灾害预警的近实时（NRT）电离层监测软件 GUARDIAN。这款软件基于NASA的差分全球定位系统，能收集和处理着来自全球数百个站点的卫星导航数据，其中包括环太平洋火山带沿线的多个站点。

GUARDIAN能实时检测由地球上的自然和人为事件引起的电离层扰动，增强现有的自然灾害早期预警。今年7月20日，一场8.7级的地震袭击了俄罗斯的堪察加半岛远东沿海地区，这是该地区至1952年以来的最大地震。根据BBC的报道，当时的海浪以大约644千米/小时的速度向外席卷。

图片来源：Unsplash

正如上文所言，海啸在深海中传播时的波长很长，传播速度很快，因此可以以很快的速度跨洋传播，且传播损失的能量很小。而一旦进入浅海，它们的传播速度会减慢，但是海浪会急剧增高，给沿海地区造成毁灭性的力量。

根据BBC的报道，在堪察加半岛地震的前一天，GUARDIAN的研究人员为其添加了一个可以自动发送警报的智能软件。在海啸到达前，这个系统提前40分钟左右预测到海啸会袭击美国夏威夷。虽然最终海啸在达到夏威夷时，能量已在远处被消散，只引发了1.8米左右的海啸。但如果可以在每次类似的自然灾难到达前，提前至少半个小时获得准确预警，无疑能极大地降低人员伤亡和财产损失。

当前，GUARDIAN使用来自GPS（美国）、伽利略（Galileo，欧盟）、GLONASS（俄罗斯）和北斗卫星导航系统的数据，已包含太平洋沿岸的80多个站点。根据研究人员在GPS Solutions论文中的预测，只需增加计算能力，即可轻松将站点总数扩展到200多个。理想情况下，这个系统将能捕获并标记大气电离层中每一个异常扰动，预测火山爆发、海啸、地震和风暴等产生的电离层扰动。

不过，这个系统也有一个相对明显的缺点，那就是只适用于海啸的传播时间超过大气传播时间的情况。当海啸发生时，它沿着海洋横向传播的同时，大气重力波也会开始向上传播。而大气重力波从海面传到电离层所需的时间，通常在30至40分钟左右。因此，一些科学家认为基于电离层扰动预测海啸的方式，主要适合相对远距离的海啸早期预警。