地球磁层发出的奇怪声音，究竟代表着什么？

地球的磁场环境中充满了我们无法听到的“交响乐”，超低频的电波构成了一出令人陶醉的歌剧，描绘着地球和太阳之间戏剧性的复杂关系。

现在，美国航空航天局（NASA）资助的一项新的公众科学项目，名为“太阳物理学音频化：等离子体中的共振”（Heliophysics Audified: Resonances in Plasmas，HARP），把这些原本无法听到的波动转化为了各种各样的声音，比如口哨声、嘎吱声和嗖嗖声。这个项目已经在初步测试中发现了一些惊人的现象，而且公众科学家们可以加入这个用声音探索太空的旅程，破译出这些有助于我们了解太阳和地球之歌的宇宙振动背后的含义。

NASA爱好者

聆听太空的声音，帮助了解更多关于NASA新的HARP公众科学项目的太阳-地球关系。视频来源：NASA/贝斯·安东尼（Beth Anthony）字幕制作：哇喳@NASA爱好者

HARP项目的首席研究员、来自美国科罗拉多州空间科学研究所（Space Science Institute）的太阳物理学家迈克尔·哈廷格（Michael Hartinger）说：“让我最兴奋的是，公众科学家们可以通过声音分析来参与太阳物理学研究，探索新发现。我们需要他们的帮助来理解地球附近太空环境中的复杂模式。”

地球的磁层是一个磁场泡泡，它包裹并保护我们的星球免受来自太阳的大部分带电粒子的影响。然而，当太阳粒子撞击磁层时，它们会导致地球周围的磁场线和等离子体像竖琴的琴弦一样振动，产生超低频波。在上面的动图中，黄色的太阳风粒子从图中左上方的太阳流向右边的地球。地球被几十条磁场线和一个红色的弧形示意条带所包围，太阳粒子被阻挡在了外围。弧形内部是一条细小的蓝色波纹线。图片来源：帝国理工学院的马丁·阿彻/美国加州大学洛杉矶分校的埃马纽埃尔·马森松/NASA

地球和太阳之间的太空并非完全的真空，而是充满了一种叫做等离子体的带电粒子。这些等离子体来自太阳，以一种稳定的流动形式，也就是太阳风（solar wind），从太阳喷射出来，并且不定期地在太阳爆发时被强力地抛出。当这些太阳等离子体撞击地球时，它们会使地球周围的磁场线和等离子体像竖琴弹奏一样振动，产生超低频波。

2007年，NASA发射了五颗卫星，作为“西弥斯”任务的一部分。遍布整个磁层的“西弥斯”卫星研究了在地球环境中移动的等离子体和能量以何种方式触发了不同类型的极光（北极光和南极光）。2010年，两颗卫星被重新分配去研究月球的环境，而另外三颗卫星则继续探查地球的磁层和极光。在这幅图中，五颗相同的“西弥斯”卫星位于围绕地球的轨道上。一颗卫星位于图中地球的前方，剩下四颗位于后方。地球周围的五个蓝色环线标识的是它们的运行轨道，而地球的北极周围散发着极光。图片来源：NASA/戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）概念图像实验室（Conceptual Image Lab）

2007年，NASA发射了五颗卫星，作为“西弥斯”（THEMIS，全称“Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms”，即“亚暴期间事件的时间历史和宏观尺度的相互作用”）任务的一部分，飞越了地球的磁场“竖琴”——它的磁层（magnetosphere）。从那时起，“西弥斯”卫星就一直在收集关于地球磁层中等离子体波动的大量信息。

“西弥斯”任务所探索的，是等离子体和能量在地球环境中的移动以何种方式触发了不同类型的极光（北极光和南极光）。2010年，两颗卫星被重新分配去研究月球环境，但另外三颗卫星仍继续探索着地球的磁层和极光。这三颗卫星被称为“西弥斯-A”（THEMIS-A）、“西弥斯-D”（THEMIS-D）和“西弥斯-E1”（THEMIS-E1）。

“西弥斯”任务的主要目标是确定引发极光亚暴（Auroral Substorm）的物理过程。极光亚暴是地球磁层中的一种现象，会让地球高纬度地区的极光活动突然变得更加明亮和活跃。极光亚暴由太阳风与地球磁场相互作用所引发，当太阳风的负载粒子流与地球磁场相互作用时，会在磁层尾部产生能量的累积和释放，从而导致极光亚暴的发生。“西弥斯”卫星和地面仪器可以同时观测到这些亚暴，从而揭示它们的起源和演化。

哈廷格说：“‘西弥斯’卫星可以对整个地球磁层进行采样，而且它已经在那里呆了很长时间，所以它已经收集了很多数据。”

这些波对于理解太阳和地球之间的能量传输和转换非常重要，然而，“西弥斯”卫星测量的波频率过低，人耳无法听到。因此，HARP团队将它们的频率提高，转换为声波。通过使用该团队开发的一个互动工具，你可以听见这些波，挑选出你所听到的有趣的声音特征。

HARP团队成员、来自美国听觉实验室技术公司（Auralab Technologies）的罗伯特·亚历山大（Robert Alexander）说：“通过深度聆听来识别新特征的过程，感觉有点像寻宝，我很高兴世界各地的人能够通过HARP项目体验到这种乐趣。”

根据该团队的说法，相比眼睛，人类更善于通过耳朵来挑选出有趣的波模式，在识别极端太阳事件中出现的复杂模式方面，人耳甚至比计算机表现得更好。“人类的听觉是一个强大到惊人的技能。”HARP团队成员、来自英国帝国理工学院（Imperial College London）的马丁·阿彻（Martin Archer）说，“我们基本上从出生起就接受了识别不同声音模式和挑出不同声源的训练。我们天生就能做一些相当惊人的分析，甚至超过了一些最先进的计算机算法。”

2023年3月24日，一台全天空相机（all-sky camera）拍到绿色的极光在加拿大的夜空中跃动。科学家将极光中的特征与NASA“西弥斯”任务的观测结果进行了比较，发现极光中的旋动和震颤模式与地球附近的等离子体波有直接联系。

图片来源：加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）

HARP项目的灵感来自于阿彻领导的一个早期的可听化项目，名为MUSICS，全称是“Magnetospheric Undulations Sonified Incorporating Citizen Scientists”，即“公众科学家参与的磁层波动可听化”。当阿彻邀请伦敦的高中生来听美国国家海洋和大气协会（NOAA）卫星的可听化数据（测量结果转换成了声音）时，他们发现了一种与太阳风暴有关的新的等离子体波模式。

“伦敦的高中生能够在这些声音中挑出一个复杂但可重复的模式，而自动算法却忽略了这一点。”哈廷格说，“HARP将把这项工作提高到一个新的水平，用到的是来自NASA‘西弥斯’任务的更大数据集，邀请的参与者则是更多的在线听众。”

HARP团队表示，让一个广泛且多样化的群体来听这些声音有一个好处。“每个人听到的世界都不一样。”美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的埃马纽埃尔·马森松（Emmanuel Masongsong）解释说，他是HARP团队的成员，也是NASA“西弥斯”任务的成员，“每个参与者都会对太空中的振动做出独特的反应。一个人忽视的东西，可能会吸引到另一个人的注意。我们希望人们能够发现我们从未考虑过的东西，或者计算机算法无法检测到的东西。”

在HARP项目的网站上，你可以听到来自不同卫星、不同时间、不同位置的太空声音，并且可以对它们进行分类、标记和评论。你也可以通过一个交互式地图来选择你想要听到的声音，或者通过一个日历来查看不同日期的声音。你甚至可以创建自己的声音合集，并与其他公众科学家分享你的发现。

你可以帮助识别一些特殊的声音模式，比如共振或噪音，找出它们与太阳活动或者地球环境变化之间的关系。你也可以帮助发现一些罕见或者未知的声音现象，并且提出你自己的解释或者假设。

用HARP进行的初步调查已经开始揭示出意想不到的特征，例如被项目团队称之为“反向竖琴”（ reverse harp）的模式，也就是频率以与科学家预期相反的变化方式。“HARP可能会发现我们意料之外的东西，这真的很令人兴奋。”阿彻说。

HARP还可以提供关于其他NASA公众科学家所遇到的现象的见解，例如参加HamSCI项目的业余无线电操作员所听到的声音，或通过Aurorasaurus项目检查的波状极光。

“数据可听化为人类提供了一个欣赏宇宙音乐的机会。”亚历山大说，“我们听到的声音简直是出乎意料的，对我来说，这是仅次于穿着宇航服在太空漫步的最美妙的事物。”