如果我们身处北纬或者南纬足够高的地方，在晴朗的夜晚，在天空中就会有很大的几率看到一种“灯光秀”－极光。众所周知，极光是由“太阳风”吹过来的高能粒子，在地球磁场的引导和作用下，与大气分子发生碰撞所形成的五颜六色光芒。极光的产生，太阳粒子、磁场和大气层三者缺一不可。但是，当太阳带电粒子撞击地球高层大气的磁场时，为什么会产生极光，其间到底发生了什么？这个问题，一直困扰着科学家们。

阿尔文波

近100多年来，随着科学家们对宇宙天体观测和研究的不断深入，逐渐意识到宇宙中的大部分天体特别是恒星，都属于带磁性的高电导率的等离子体，而且宇宙空间中也充满着这些导电的气体。20世纪初，瑞典物理学家阿尔文，在研究高电导率的电流体过程中，发现了“磁冻结”现象，即磁力线与导电流体一起运行，使得导电流体好像黏附在磁力线上一样。

而导电流体在处于磁场“冻结”的情况下，如果垂直于磁场方向，流体受到一个外部的力量干扰，那么导电流体就会发生波动，所形成的波后来被人们称为“阿尔文波”，其传播速度被定义为“阿尔文速度”。这个发现，可以用来解释太阳黑子的形成原因、恒星磁场以及地球磁场某方面的观测特征。

阿尔文波与其他波具有相似的特征，即波的振动方向与传播方向相垂直。如果我们将磁场想象为一连串的线，那么当我们拉伸这些线时，磁力线就会具有弹回原状的趋势，这种弹回效应引起的振动，其实就是阿尔文波。

阿尔文波对极光的“贡献”

当来自太阳的“风暴”从太阳表面发出时，巨大的能量将无数高能带电粒子吹向四面八方。其中有一部分径直向地球奔来。当这些高能粒子接触到地球高空上面的磁场时，在电磁效应的作用下，会引发地球磁力线呈现出各种各样的弯曲。

按照阿尔文波产生的条件，地球磁力线发生弯曲时，就会产生出具备一定传播速度的阿尔文波。其中，被引导至地球两极的太阳高能粒子，在两极大气层上部所形成的阿尔文波最为密集，同时也最为混乱。

在两极上空形成的阿尔文波，就像滑雪者从雪山上冲下来一样，将大气层上部大气分子中的电子进行了加速，这些电子随后又与空气中的氮原子、氧原子相撞击，在此过程中释放出新的能量，从而形成让我们眼花缭乱的极光。

再现地球磁场阿尔文波的难度

如果想从深层次来解释地球磁场形成阿尔文波的机理，显然通过高空的航天器很难做到，唯一的途径就是人为制造出等离子体与磁场之间的“橡皮筋”效应。于是，美国芝加哥惠顿学院的研究团队，采用了在磁化等离子体中通过产生扰动的方式，来产生阿尔文波，参与实验的设备为该校的大型等离子体装置。

这个大型等离子体装置，是一个直径40多厘米、长度10米左右、笼罩在磁场线圈中的设备。在实验时，操作人员在装置内部填充特定的气体物质，并向里面发射高强度的电子束，快速制造出被磁化的等离子体，然后对比扰动之下电子的实际运行速度与原先电子的运行速度差异。

这个实验看上去非常简单，但是由于实验的难度相当大，原本研究团队计划用3年时间达到研究目标，结果足足花了20多年，才取得实质性的成果。

实验的难度主要表现在以下几个方面：一是并不是所有产生的阿尔文波都有用，需要反复研究和制造合适的电子发射天线，来产生具有足够振幅的阿尔文波。二是需要非常灵敏的观测手段，在等离子体中，大约只有千分之一的电子，能够与阿尔文波发生相互作用，而且等离子体中被加速的电子速度太快，测量起来难度也非常大。三是需要反复发射电子束，研究团队利用电磁测量和电子测量相结合的方式，每组实验需要进行6万多次，频率为1秒重启运行一次，即每组实验下来就得需要1天的时间，然后通过测量出的数据，来判断电子是否真的与阿尔文波一起运行。

最终，研究团队通过对实验装置、实验流程和监测手段进行不断地修改完善，利用了20多年的时间，才获得了比较完美和具有说服力的监测结果，证实了在阿尔文波的加速下，电子飙升到了足够高的能量，运行速度要比普通电子快出许多倍。间接证明了这些被加速的电子，如果在极地高空移动，极有可能会激发出极光现象。

帕克太阳探测器将来的贡献

利用阿尔文波，我们还可以解释关于太阳这颗“母星”的一些谜团，其中最重要的一个谜团就是为什么太阳的外层大气温度，要比它炽热的表面温度还要高？通过以往的监测，我们发现，在太阳的外层大气中，物质密度非常稀薄，只有太阳表面的万亿分之一，但是温度却达到了几百万摄氏度，这要比其表面的6000多摄氏度要高得多。

根据先前科学家们的推测，在太阳日冕扩大层的最外部与太阳表面之间，来回振荡着阿尔文波，而在扩大层的外缘，太阳风的速度要比阿尔文速度更快，阿尔文波无法“弹回”太阳表面，所在扩大层的外缘区域，等离子体会受到过度的“加热”，从而引发温度“反常”的情况。

目前，帕克太阳探测器已经无限接近这片“加热区”，有了帕克探测器，我们可以进行局部测量，来监测是什么样的过程导致了太阳风在这一区域的加速，也能够监测分析出哪些元素被“优先加热”。届时，关于太阳这个最大的谜团，或许就会被我们所破解。