解析極地怪象

段景頤

在極地，有一些奇觀怪象是生活在地球其他地區(qū)的人們從未見過的。比如，在北極工作的科學(xué)家會發(fā)現(xiàn)他們能聽到3千米外的人們交談的內(nèi)容。其實，這是空氣密度和光滑冰面共同造成的。北極氣候寒冷，靠近地面的空氣密度比低緯度地區(qū)的低層空氣大得多。因此，人說話的聲音更容易被反射回地面，而北極堅硬光滑的冰面又是理想的反射面，聲波便再次向空中反射，如此往復(fù)……最后，聲音就被傳到了很遠(yuǎn)的地方。其實，極地還有許多讓人驚嘆的奇觀。

詭異光柱

一根根垂直的光柱拔地而起，但這不是極光，更不是燈光表演。美國阿拉斯加、加拿大努納武特等北極圈地區(qū)都曾頻繁出現(xiàn)這種光柱。有時，光柱現(xiàn)象也發(fā)生于極地以外的寒冷地區(qū)，例如中國的新疆和內(nèi)蒙古自治區(qū)。

這種詭異的光柱是一種多發(fā)于寒冷的北極圈的奇觀。光柱的光源來自地面燈光。如果空氣中恰好有六邊形或六棱柱形的微冰晶，那么這些冰晶就如同一個個小小的反光鏡，將光線反射到人眼中。

那么，為什么冰晶反射后的光是一個個完全垂直于地面的光柱？其實，這是一種視錯覺。冰晶表面十分光滑，對光的反射為鏡面反射——平行入射光被光滑平面反射后依然是平行的。因此，觀測者只能看到光源和自己在一條直線上、反射角剛好朝向觀測者肉眼的冰晶反射光。又因為不同高度的空氣中都有反射角恰好對準(zhǔn)觀測者肉眼的冰晶反射光，因此任何方位的觀測者都只能看到面向自己的一根根垂直光柱。

夜空光球

2017年10月26日傍晚，俄羅斯攝影師謝爾蓋察覺到天邊出現(xiàn)了奇怪光球。當(dāng)時看到光球的并不止他一人，西伯利亞北部大部分地區(qū)都有關(guān)于這個光球的目擊報告。謝爾蓋回憶說：“剛開始我呆了好幾分鐘，不知道那是什么。爾后光球從樹后越升越高，朝我的方向飛來。”回到家后，謝爾蓋聽見孩子們也在談?wù)摴馇?，“外星人”“維度通道”等詞不停從他們嘴里往外蹦。但謝爾蓋覺得多半是探照燈的光。

幾日后，俄羅斯國防部給出了正式說明：光球是導(dǎo)彈的火箭尾氣在高空中擴散，同時反射太陽光造成的。專家解釋說，火箭的尾氣在空中會擴散成一個直徑幾十至幾百千米的球形。雖然城市已經(jīng)夜幕降臨，但高空中火箭尾氣的液滴和顆粒還能反射來自地平線下方的陽光。

2019年4月5日傍晚，挪威部分地區(qū)的天空中出現(xiàn)了藍(lán)、紫、黃三色組成的兩個規(guī)則圖案，一些目擊者困惑不解。其實，這是美國宇航局在挪威進(jìn)行的一次“極光區(qū)上升火箭實驗”?；鸺w行到距離地面115～250千米的高度時，位于其上的儀器會測量并記錄大氣密度和溫度，同時向大氣釋放三甲基鋁和鋇鍶混合物這兩種示蹤物質(zhì)。其中的離子暴露在太陽光下時，會形成極光一樣的彩色云。研究人員使用地面設(shè)備記錄下彩云的水平和垂直運動變化，就能反推出大氣中中性粒子和帶電粒子各自的流動模式。美國宇航局表示，4月5日發(fā)射的火箭只是系列實驗的開始，未來兩年他們還將進(jìn)行7次類似實驗。

冰火山爆發(fā)

2014年，在西伯利亞永久凍土地區(qū)突然出現(xiàn)了眾多巨坑，這引起了人們的熱議：有人猜測是小行星撞擊后留下的撞擊坑，也有人猜測是甲烷水合物爆炸形成的。直到2018年，科學(xué)家才找到巨坑的真正成因，原來它們是冰火山的遺留物。冰火山噴發(fā)的不是熔巖，而是冰水和氣體的混合物。之前科學(xué)家曾經(jīng)在泰坦（土衛(wèi)六）和谷神星（太陽系小行星）表面發(fā)現(xiàn)過冰火山。西伯利亞出現(xiàn)的這些冰火山是地球上首次發(fā)現(xiàn)的冰火山。

在眾多巨坑中，其中一個被稱為亞馬爾火山口，直徑25米，深50米，火山口上層呈圓錐狀向外擴張，下層壁垂直于地面。科學(xué)家對從火山口周圍收集到的沉積物進(jìn)行了分析，在測定了其中二氧化碳、氮氣、氫氣和甲烷的比例后發(fā)現(xiàn)，這些沉積物與火山口附近博瓦年科沃氣田的天然氣構(gòu)成明顯不同。這個發(fā)現(xiàn)駁斥了坑中氣體來自附近氣田的推測。樣本中甲烷的碳同位素構(gòu)成表明其來源于生物源烴（由生命活動形成的碳?xì)浠衔铮?。因為沉積物中高級正烷（C19H40以上）較普遍，所以表明這些烴類來自被埋葬的植物殘余。

科學(xué)家猜測，冰火山爆發(fā)要經(jīng)歷幾個階段。首先，永久凍土層上要有湖泊等水體。然后，湖水逐漸融化下方的凍土，形成一個含水土壤層（一種熱因形成的侵蝕地貌，因此也叫熱喀斯特）。周圍的低溫巖層讓熱喀斯特的邊界被冰包裹。久而久之，熱喀斯特上方的地表也結(jié)凍，形成了一個完全被冰包裹起來的封閉空間。熱喀斯特中的微生物分解植物殘余產(chǎn)生氣體，讓內(nèi)部壓強逐漸增大，直至上方的含土冰蓋再也無法承受。最后，封閉熱喀斯特中的氣體和冰水從正上方爆發(fā)。

冰火山有點像北極地區(qū)常見的凍脹丘，只不過前者是密閉空間內(nèi)的氣體瞬間爆發(fā)，后者是凍土中的水結(jié)凍，體積膨脹而逐漸頂破地表。

冰震的巨響

2019年1月的一個凌晨，美國芝加哥的不少居民被響徹全城的巨大聲響驚醒。在第一聲巨響結(jié)束的幾分鐘后，第二聲巨響再次襲來。不少芝加哥城的居民擔(dān)心恐怖天災(zāi)降臨，恐懼感籠罩著全城。其實，除了芝加哥，美國中西部不少地區(qū)都有類似的巨響報告。有人猜測，這可能是大地震來臨的前兆。

其實，導(dǎo)致巨響的是冰震——一種多發(fā)于極地的自然現(xiàn)象。芝加哥位于北緯41°附近，緯度與沈陽接近，雖然還沒有進(jìn)入北緯66°34的北極圈范圍，但會受極地渦旋（一種產(chǎn)生于極地的大規(guī)模氣旋，是造成寒流的因素之一）入侵的影響。通常，如果不是極地渦旋帶來的大降溫，芝加哥一般是不會發(fā)生冰震的。不過寒潮讓芝加哥溫度驟降，之前滲入城市地下的水迅速結(jié)冰，體積迅速增大，堅固的冰凍土壤或巖層無法承受這股突然的高壓，就會通過斷裂釋放積累的應(yīng)力，形成冰震。這就是巨大聲響的來源。

在極地，還有另外一種冰震。地球兩極的冰山偶爾會突然“翻跟斗”。在溫度較高的洋流沖刷下，冰山下方的冰會逐漸融化，這導(dǎo)致冰山的重心不斷上移。到一定程度時，重心過高的冰山就會在海里換個姿勢。冰山在翻身過程中碰撞、擠壓其他冰山，也會形成冰震。巨型冰山翻轉(zhuǎn)形成的巨浪甚至能掀翻附近海域的船舶。

南極白蒙

2015年11月13日，55歲的亨利·沃斯利開始穿越南極大陸的偉大挑戰(zhàn)。在此過程中他遭遇了數(shù)次惡劣白蒙。白蒙通常是由暴風(fēng)雪引起的能見度驟然下降。到穿越的第62天，已經(jīng)數(shù)次遭遇白蒙天氣的沃斯利感覺自己遭遇到了最糟糕的一次白蒙天氣。他置身于茫茫虛無之中，無論朝哪個方向前進(jìn)，都只能看到漂往地平線邊緣的雪片。他艱難地呼吸著，每次呼出的水汽都瞬間在胡子和眉毛上被凍成冰。零下30°C的氣溫在狂風(fēng)的作用下，產(chǎn)生的風(fēng)寒溫度讓沃斯利覺得自己仿佛身處零下60°C的極寒環(huán)境。難怪人們會將白蒙稱為“白色黑暗”。

還有另外一種白蒙，在極地飛行的飛機得時刻提防。1979年11月28日，新西蘭航空901航班載著20名機組成員和257名乘客，飛行在南極洲上空，卻最終撞向了埃里伯斯火山，機上277人全部遇難。飛機殘骸中遇難乘客相機里找到的照片底片被沖洗成像，從中可以看出飛機墜毀前航線天氣晴朗。從飛機“黑匣子”中恢復(fù)的數(shù)據(jù)顯示，飛機在撞山前飛行高度下降了610米，同時機上的“地面迫近警告系統(tǒng)”響起警報，但飛行員顯然沒有理睬。執(zhí)行任務(wù)的機長和副駕駛都是有豐富駕駛經(jīng)驗的資深飛行員。不過他們沒有任何南極飛行經(jīng)驗，過分自信而忽視了儀器警告，并且粗心漏輸入了兩個關(guān)鍵的航點坐標(biāo)，最后釀成慘劇。那么，飛行員為什么沒有看到正前方的巨大火山？調(diào)查人員猜測，飛機當(dāng)時可能遭遇了云雪白蒙一一飛機飛行方向前方突然出現(xiàn)的白云和火山上的白雪混為一體，導(dǎo)致飛行員沒有發(fā)現(xiàn)前方的火山。1999年新西蘭政府對此次空難的官方調(diào)查報告認(rèn)可了這種猜測。.

當(dāng)然，也還有另一種可能性：冰晶使雪山在人們的視線中“隱形”。當(dāng)時飛機附近的高空可能有無數(shù)小冰晶，在雪山白色的積雪的“幫襯”下，太陽光被冰晶和白雪多次反射和折射。雪山的陰影被不同方向的反射光抵消，其輪廓對比度在飛行員眼中大大下降，雪山和白云的分界線消失，導(dǎo)致飛行員沒有注意到面前的火山，最終釀成機毀人亡的悲劇。

極光的低語

1990年的一天，芬蘭北部的薩利賽爾卡村正在舉辦爵士音樂節(jié)。參加活動的萊茵和朋友們在中途走出會場，想離開喧鬧的人群和音樂聲，順便出去欣賞芬蘭大名鼎鼎的極光奇觀。萊茵他們一動不動，默默地感受著夜晚的寧靜和極光帶來的震撼。不一會兒，他們隱約聽見了某種“嘶嘶”聲，聲音隨著極光的變化而同步變化，這明顯不是來自音樂節(jié)現(xiàn)場的聲音。

萊茵和朋友討論了一陣子，大家都覺得聲音應(yīng)該來自極光。不過，極光距離地面80千米以上，距離如此遙遠(yuǎn)，照理聲音是無法傳達(dá)到地面還能被人聽到的。1999年，他又來到芬蘭參加音樂節(jié)，再次聽到了9年前的極光怪聲。身為心理聽覺科學(xué)家的萊茵從此開始了對怪聲的研究。在查證了相關(guān)資料后萊茵才知道，300多年前就有關(guān)于極光發(fā)聲的報告。在研究報告中，有的將極光聲形容為“絲裙擺動的聲音”，有的形容為“群鳥掠過頭頂?shù)穆曇簟?有的形容是“步槍退膛的脆響”。

既然有那么多關(guān)于極光聲的書面記錄，那么為什么沒有人把聲音記錄下來呢？其實，確實有一些科學(xué)家嘗試過記錄極光聲，不過都失敗了。這是因為極光聲很不明顯，不容易和背景噪聲區(qū)分開。有些科學(xué)家開始懷疑極光聲是極光引發(fā)的幻聽現(xiàn)象;還有觀點認(rèn)為這是一種聯(lián)覺（也稱“通感”）效應(yīng)，比如某些具有聯(lián)覺的人會覺得特定的音樂聽起來感覺是甜的。

2000年，萊茵與芬蘭一家天文觀測臺合作開始記錄極光聲。10年后，第一個極光聲被他們捕捉到了。極光聲來自距離地面不到100米的空中，這和之前數(shù)百個極光聲報告對其位置的描述相符。

萊茵對極光聲的成因做了如下猜測：在無風(fēng)的夜晚，熱空氣像棉被一樣罩住了地面附近的冷空氣，這便是常見于冬季的大氣逆溫層。從地面產(chǎn)生的熱空氣將來自地表的負(fù)電帶到冷熱空氣的交界區(qū)，并在那里慢慢累積。極光發(fā)生的周邊大氣導(dǎo)電性也會增加，大氣電離層的部分陽離子更容易向下層大氣轉(zhuǎn)移。當(dāng)電離層的陽離子來到冷熱空氣交界區(qū)附近，遇到了來自地面的大量負(fù)電荷。在巨大的電壓差下，兩股電荷擊穿空氣劇烈放電。周邊空氣受熱膨脹產(chǎn)生沖擊波，傳到地面就形成了神秘的極光聲，放電同時產(chǎn)生的還有紫外線和磁場脈沖。這種理論認(rèn)為極光聲音需要低空有逆溫層，因此能夠解釋為什么只有在特定天氣條件下才能聽到極光聲。

（責(zé)任編輯王川）