台灣新聞通訊社-科學人／溫和磁暴「讓日本出現罕見紅色極光」研究揭關鍵元兇

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圖片由ChatGPT生成（示意圖）

一般來說，想要在中低緯度地區看見絢麗的極光，通常需要依賴極端強烈的磁暴（magnetic storm）推波助瀾。然而，最近日本天空卻出現紅色的極光，暗示著還有不為人知的機制能產生極光。

誰說只有超級磁暴才能看見極光？

日本北海道大學與沖繩科學技術大學院大學的研究團隊發現，在2024~2025年間，北海道地區曾多次觀測到罕見的微弱紅極光（red aurora）。令人訝異的是，這些極光發生時，地球只經歷了「中等強度」的磁暴（地磁擾動指數（disturbance storm time, Dst）大約在 -150 到 -100 奈特斯拉（10-9T）之間），而非我們熟知的超級大磁暴。

為何相對溫和的磁暴，竟能在日本夜空畫出紅極光？研究團隊結合了衛星數據與龐大的「公民科學家」觀測網，揪出了隱藏在太空天氣數據背後的關鍵元兇。

超高空極光

要解開這個謎團，首先得知道這些紅極光到底發生在海拔多少的地方。

研究團隊利用公民科學家拍攝的高解析度極光照片，以背景星空作為仰角參考點，並疊加 NOAA18 與 MetOp3 等低軌道衛星的數據，定位極光橢圓區的赤道側邊界。結果發現了一個驚人的數據：這些出現在日本的紅極光，其頂部高度延伸至 490~800 公里的超高空！ (編按：中緯度紅極光的高度通常落在 400~600 公里之間。)

為何極光能發生在這麼高的地方？研究人員進一步檢視磁暴指標後發現，雖然傳統用來評估對稱環狀電流的 SYM-H 指數顯示這只是中度磁暴，但反映「局部環狀電流」發展的非對稱環狀電流 ASY-H 指數，卻飆升到 SYM-H 峰值的 1.3~2.0 倍。這代表真實的磁暴強度被嚴重低估了，地球的磁層（magnetosphere）正經歷極其強烈的壓縮。

關鍵在於太陽風的「密度」而非「速度」

過去科學家多半認為，太陽風的速度是引發強烈太空天氣事件的主因。但這份研究提出了一個顛覆性的觀點：決定中低緯度紅極光是否現身的關鍵，其實是太陽風的「密度」（solar wind density）。

研究中進行了明確的數據對比：

1.引發日本紅極光的事件（GROUP 1）：太陽風速度屬於中等（每秒 350~600 公里），但密度極高（達到 34~71 /cc）。

2.未引發日本極光的事件（GROUP 2）：太陽風速度極快（約每秒 800 公里），但密度只有 GROUP 1 的一半（約 20 /cc）。

研究團隊推論，當密度較高且中等速度的太陽風撞擊地球時，會產生強大的動態壓力，把地球磁層頂（magnetopause）劇烈壓縮至距離地球只有 6~7 個地球半徑的危險邊緣。這種強烈壓縮改變了磁場結構，還可能在緯度較低的副極光區引發強烈的「焦耳加熱」（Joule heating）效應。較高層的大氣因為這股熱能而劇烈膨脹，使得熱層（thermosphere）的氣體密度增加，為紅極光提供攀升更高海拔的「墊腳石」，最終導致遠在日本的觀測者也能一窺這抹微弱的紅光。

公民科學家補充天文台盲區

這項研究能夠突破，最大功臣莫過於廣大的「公民科學家」。

由於這些紅極光過於微弱，肉眼難以察覺，加上日本北部時常天氣不穩定。例如在 2024 年 8 月 4 日與 9 月 12 日的事件中，名古屋大學設立的專業極光觀測站，就因為天候惡劣而完全錯失了畫面。

幸運的是，在社群媒體的號召下，日本各地配備高感光相機與智慧型手機的科學愛好者，形成了一個全球最密集的極光觀測網。他們提供的彩色縮時攝影填補了專業天文台的空間盲區，讓科學家得以利用這些多點觀測數據，精準回推極光的三維高度分佈。

從賞景到守護人造衛星的安全

公民科學家與學者的攜手合作，不但揭開中等磁暴引發低緯度極光的神祕面紗，更逐步釐清太陽風密度與大氣膨脹之間的複雜機制，為未來太空天氣預報提供更精準的防護指標，更可貴的是，這項發現引發了太空安全的討論：當大氣因為加熱而向外膨脹時，會大幅增加低軌道衛星（包含星鏈衛星）所面臨的空氣阻力，若是不能及時掌握大氣變化，可能導致脫軌或甚至墜毀。

幸運的是，遍布各地的公民科學家正化身為最強大的觀測前哨站；在他們鏡頭下的每一道極光，都可能成為科學家完善預測模型、解開大氣膨脹謎團的珍貴數據，為人類的太空安全保駕護航。

參考資料：

1.Nakayama, T. M., & Kataoka, R. (2026). Faint red auroras as seen from Japan associated with intense magnetospheric compression. Journal of Space Weather and Space Climate, 16, 19.

2.https://phys.org/news/2026-05-space-storms-japan-sky-red.html