解析极地怪象

段景頤

在极地，有一些奇观怪象是生活在地球其他地区的人们从未见过的。比如，在北极工作的科学家会发现他们能听到3千米外的人们交谈的内容。其实，这是空气密度和光滑冰面共同造成的。北极气候寒冷，靠近地面的空气密度比低纬度地区的低层空气大得多。因此，人说话的声音更容易被反射回地面，而北极坚硬光滑的冰面又是理想的反射面，声波便再次向空中反射，如此往复……最后，声音就被传到了很远的地方。其实，极地还有许多让人惊叹的奇观。

诡异光柱

一根根垂直的光柱拔地而起，但这不是极光，更不是灯光表演。美国阿拉斯加、加拿大努纳武特等北极圈地区都曾频繁出现这种光柱。有时，光柱现象也发生于极地以外的寒冷地区，例如中国的新疆和内蒙古自治区。

这种诡异的光柱是一种多发于寒冷的北极圈的奇观。光柱的光源来自地面灯光。如果空气中恰好有六边形或六棱柱形的微冰晶，那么这些冰晶就如同一个个小小的反光镜，将光线反射到人眼中。

那么，为什么冰晶反射后的光是一个个完全垂直于地面的光柱？其实，这是一种视错觉。冰晶表面十分光滑，对光的反射为镜面反射——平行入射光被光滑平面反射后依然是平行的。因此，观测者只能看到光源和自己在一条直线上、反射角刚好朝向观测者肉眼的冰晶反射光。又因为不同高度的空气中都有反射角恰好对准观测者肉眼的冰晶反射光，因此任何方位的观测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，俄罗斯摄影师谢尔盖察觉到天边出现了奇怪光球。当时看到光球的并不止他一人，西伯利亚北部大部分地区都有关于这个光球的目击报告。谢尔盖回忆说：“刚开始我呆了好几分钟，不知道那是什么。尔后光球从树后越升越高，朝我的方向飞来。”回到家后，谢尔盖听见孩子们也在谈论光球，“外星人”“维度通道”等词不停从他们嘴里往外蹦。但谢尔盖觉得多半是探照灯的光。

几日后，俄罗斯国防部给出了正式说明：光球是导弹的火箭尾气在高空中扩散，同时反射太阳光造成的。专家解释说，火箭的尾气在空中会扩散成一个直径几十至几百千米的球形。虽然城市已经夜幕降临，但高空中火箭尾气的液滴和颗粒还能反射来自地平线下方的阳光。

2019年4月5日傍晚，挪威部分地區的天空中出现了蓝、紫、黄三色组成的两个规则图案，一些目击者困惑不解。其实，这是美国宇航局在挪威进行的一次“极光区上升火箭实验”。火箭飞行到距离地面115～250千米的高度时，位于其上的仪器会测量并记录大气密度和温度，同时向大气释放三甲基铝和钡锶混合物这两种示踪物质。其中的离子暴露在太阳光下时，会形成极光一样的彩色云。研究人员使用地面设备记录下彩云的水平和垂直运动变化，就能反推出大气中中性粒子和带电粒子各自的流动模式。美国宇航局表示，4月5日发射的火箭只是系列实验的开始，未来两年他们还将进行7次类似实验。

冰火山爆发

2014年，在西伯利亚永久冻土地区突然出现了众多巨坑，这引起了人们的热议：有人猜测是小行星撞击后留下的撞击坑，也有人猜测是甲烷水合物爆炸形成的。直到2018年，科学家才找到巨坑的真正成因，原来它们是冰火山的遗留物。冰火山喷发的不是熔岩，而是冰水和气体的混合物。之前科学家曾经在泰坦（土卫六）和谷神星（太阳系小行星）表面发现过冰火山。西伯利亚出现的这些冰火山是地球上首次发现的冰火山。

在众多巨坑中，其中一个被称为亚马尔火山口，直径25米，深50米，火山口上层呈圆锥状向外扩张，下层壁垂直于地面。科学家对从火山口周围收集到的沉积物进行了分析，在测定了其中二氧化碳、氮气、氢气和甲烷的比例后发现，这些沉积物与火山口附近博瓦年科沃气田的天然气构成明显不同。这个发现驳斥了坑中气体来自附近气田的推测。样本中甲烷的碳同位素构成表明其来源于生物源烃（由生命活动形成的碳氢化合物）。因为沉积物中高级正烷（C19H40以上）较普遍，所以表明这些烃类来自被埋葬的植物残余。

科学家猜测，冰火山爆发要经历几个阶段。首先，永久冻土层上要有湖泊等水体。然后，湖水逐渐融化下方的冻土，形成一个含水土壤层（一种热因形成的侵蚀地貌，因此也叫热喀斯特）。周围的低温岩层让热喀斯特的边界被冰包裹。久而久之，热喀斯特上方的地表也结冻，形成了一个完全被冰包裹起来的封闭空间。热喀斯特中的微生物分解植物残余产生气体，让内部压强逐渐增大，直至上方的含土冰盖再也无法承受。最后，封闭热喀斯特中的气体和冰水从正上方爆发。

冰火山有点像北极地区常见的冻胀丘，只不过前者是密闭空间内的气体瞬间爆发，后者是冻土中的水结冻，体积膨胀而逐渐顶破地表。

冰震的巨响

2019年1月的一个凌晨，美国芝加哥的不少居民被响彻全城的巨大声响惊醒。在第一声巨响结束的几分钟后，第二声巨响再次袭来。不少芝加哥城的居民担心恐怖天灾降临，恐惧感笼罩着全城。其实，除了芝加哥，美国中西部不少地区都有类似的巨响报告。有人猜测，这可能是大地震来临的前兆。

其实，导致巨响的是冰震——一种多发于极地的自然现象。芝加哥位于北纬41°附近，纬度与沈阳接近，虽然还没有进入北纬66°34的北极圈范围，但会受极地涡旋（一种产生于极地的大规模气旋，是造成寒流的因素之一）入侵的影响。通常，如果不是极地涡旋带来的大降温，芝加哥一般是不会发生冰震的。不过寒潮让芝加哥温度骤降，之前渗入城市地下的水迅速结冰，体积迅速增大，坚固的冰冻土壤或岩层无法承受这股突然的高压，就会通过断裂释放积累的应力，形成冰震。这就是巨大声响的来源。

在极地，还有另外一种冰震。地球两极的冰山偶尔会突然“翻跟斗”。在温度较高的洋流冲刷下，冰山下方的冰会逐渐融化，这导致冰山的重心不断上移。到一定程度时，重心过高的冰山就会在海里换个姿势。冰山在翻身过程中碰撞、挤压其他冰山，也会形成冰震。巨型冰山翻转形成的巨浪甚至能掀翻附近海域的船舶。

南极白蒙

2015年11月13日，55岁的亨利·沃斯利开始穿越南极大陆的伟大挑战。在此过程中他遭遇了数次恶劣白蒙。白蒙通常是由暴风雪引起的能见度骤然下降。到穿越的第62天，已经数次遭遇白蒙天气的沃斯利感觉自己遭遇到了最糟糕的一次白蒙天气。他置身于茫茫虚无之中，无论朝哪个方向前进，都只能看到漂往地平线边缘的雪片。他艰难地呼吸着，每次呼出的水汽都瞬间在胡子和眉毛上被冻成冰。零下30°C的气温在狂风的作用下，產生的风寒温度让沃斯利觉得自己仿佛身处零下60°C的极寒环境。难怪人们会将白蒙称为“白色黑暗”。

还有另外一种白蒙，在极地飞行的飞机得时刻提防。1979年11月28日，新西兰航空901航班载着20名机组成员和257名乘客，飞行在南极洲上空，却最终撞向了埃里伯斯火山，机上277人全部遇难。飞机残骸中遇难乘客相机里找到的照片底片被冲洗成像，从中可以看出飞机坠毁前航线天气晴朗。从飞机“黑匣子”中恢复的数据显示，飞机在撞山前飞行高度下降了610米，同时机上的“地面迫近警告系统”响起警报，但飞行员显然没有理睬。执行任务的机长和副驾驶都是有丰富驾驶经验的资深飞行员。不过他们没有任何南极飞行经验，过分自信而忽视了仪器警告，并且粗心漏输入了两个关键的航点坐标，最后酿成惨剧。那么，飞行员为什么没有看到正前方的巨大火山？调查人员猜测，飞机当时可能遭遇了云雪白蒙一一飞机飞行方向前方突然出现的白云和火山上的白雪混为一体，导致飞行员没有发现前方的火山。1999年新西兰政府对此次空难的官方调查报告认可了这种猜测。.

当然，也还有另一种可能性：冰晶使雪山在人们的视线中“隐形”。当时飞机附近的高空可能有无数小冰晶，在雪山白色的积雪的“帮衬”下，太阳光被冰晶和白雪多次反射和折射。雪山的阴影被不同方向的反射光抵消，其轮廓对比度在飞行员眼中大大下降，雪山和白云的分界线消失，导致飞行员没有注意到面前的火山，最终酿成机毁人亡的悲剧。

极光的低语

1990年的一天，芬兰北部的萨利赛尔卡村正在举办爵士音乐节。参加活动的莱茵和朋友们在中途走出会场，想离开喧闹的人群和音乐声，顺便出去欣赏芬兰大名鼎鼎的极光奇观。莱茵他们一动不动，默默地感受着夜晚的宁静和极光带来的震撼。不一会儿，他们隐约听见了某种“嘶嘶”声，声音随着极光的变化而同步变化，这明显不是来自音乐节现场的声音。

莱茵和朋友讨论了一阵子，大家都觉得声音应该来自极光。不过，极光距离地面80千米以上，距离如此遥远，照理声音是无法传达到地面还能被人听到的。1999年，他又来到芬兰参加音乐节，再次听到了9年前的极光怪声。身为心理听觉科学家的莱茵从此开始了对怪声的研究。在查证了相关资料后莱茵才知道，300多年前就有关于极光发声的报告。在研究报告中，有的将极光声形容为“丝裙摆动的声音”，有的形容为“群鸟掠过头顶的声音”;有的形容是“步枪退膛的脆响”。

既然有那么多关于极光声的书面记录，那么为什么没有人把声音记录下来呢？其实，确实有一些科学家尝试过记录极光声，不过都失败了。这是因为极光声很不明显，不容易和背景噪声区分开。有些科学家开始怀疑极光声是极光引发的幻听现象;还有观点认为这是一种联觉（也称“通感”）效应，比如某些具有联觉的人会觉得特定的音乐听起来感觉是甜的。

2000年，莱茵与芬兰一家天文观测台合作开始记录极光声。10年后，第一个极光声被他们捕捉到了。极光声来自距离地面不到100米的空中，这和之前数百个极光声报告对其位置的描述相符。

莱茵对极光声的成因做了如下猜测：在无风的夜晚，热空气像棉被一样罩住了地面附近的冷空气，这便是常见于冬季的大气逆温层。从地面产生的热空气将来自地表的负电带到冷热空气的交界区，并在那里慢慢累积。极光发生的周边大气导电性也会增加，大气电离层的部分阳离子更容易向下层大气转移。当电离层的阳离子来到冷热空气交界区附近，遇到了来自地面的大量负电荷。在巨大的电压差下，两股电荷击穿空气剧烈放电。周边空气受热膨胀产生冲击波，传到地面就形成了神秘的极光声，放电同时产生的还有紫外线和磁场脉冲。这种理论认为极光声音需要低空有逆温层，因此能够解释为什么只有在特定天气条件下才能听到极光声。

（责任编辑王川）