小編整理: 極光是一種自然現(xiàn)象,在地球的南北兩極地區(qū)的高空,夜間會(huì)出現(xiàn)燦爛美麗的光輝。這是由于太陽(yáng)帶電粒子流進(jìn)入地球磁場(chǎng),激發(fā)高層大氣分子或原子而產(chǎn)生的。
極光 極光( Aurora ),是一種絢麗多彩的等離子體現(xiàn)象,其發(fā)生是由于太陽(yáng)帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))進(jìn)入 地球磁場(chǎng) ,在地球南北兩極附近地區(qū)的高空,夜間出現(xiàn)的燦爛美麗的光輝。在南極被稱為 南極光 ,在北極被稱為 北極光 。地球的極光是來(lái)自地球磁層或太陽(yáng)的高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))使高層大氣分子或原子激發(fā)(或電離)而產(chǎn)生。
基本信息
外文名
Aurora,Aurora Borealis,Polar light
極光形態(tài) 根據(jù)關(guān)于極光分布情況的研究,極光區(qū)的形狀不是以地磁極為中心的圓環(huán)狀,而是卵形。極光的光譜線范圍約為3100~6700埃,其中最重要的譜線是5577埃的 氧原子 綠線,稱為極光綠線。 大多數(shù)極光出現(xiàn)于地球上空90-130千米處。1959年,一次北極光所測(cè)得的高度是160千米,寬度超過4800千米。但有些極光要高得多,高度可達(dá)560-1000千米以上。
分布區(qū)域 由于地磁場(chǎng)的作用,這些高能粒子轉(zhuǎn)向極區(qū),所以極光常見于高磁緯地區(qū)。在大約離 磁極 25°~30°的范圍內(nèi)常出現(xiàn)極光,這個(gè)區(qū)域稱為極光區(qū)。在地磁緯度45°~60°之間的區(qū)域稱為弱極光區(qū),地磁緯度低于45°的區(qū)域稱為微極光區(qū)。 在北半球觀察到的極光稱北極光, 南半球 觀察到的極光稱南極光,經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北緯度67度附近的兩個(gè)環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi),阿拉斯加的費(fèi)爾班克斯一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象,因此被稱為“北極光首都”。而 冰島 由于整個(gè)國(guó)家都在極光帶上,也是北半球受歡迎的觀測(cè)極光地點(diǎn)。南極光與北極光是同時(shí)變化的(可視為北極光的鏡像)。在高緯度的 南美洲 、澳大利亞、新西蘭和南極洲可以看見南極光。
基本分類 極光依性質(zhì)可分為擴(kuò)散極光和分立極光兩種類型。即使在黑暗的天空中,肉眼可能還是看不見擴(kuò)散極光散發(fā)出彌漫在天空中的微光和形狀,但它定義出了極光帶的范圍。分立極光是在幾乎看不見的 擴(kuò)散極光中能夠明確看出形狀的部分,肉眼很容易就能看見它們,最亮?xí)r的亮度足以在夜晚閱讀書報(bào)。但分立極光還是只能在夜空中被看見,因?yàn)樗牧炼冗€不足以在陽(yáng)光下呈現(xiàn)。極光在極光帶中出現(xiàn)時(shí)通常是彌漫性的光斑或弧形,且通常是在裸眼可見的程度之下。分立極光通常會(huì)顯示出磁場(chǎng)線或像簾幕狀的結(jié)構(gòu),最常見的是綠色的螢光,并且可以在數(shù)秒鐘內(nèi)發(fā)生變化,或是幾個(gè)小時(shí)光度都不變。 按照極光的形態(tài)分類,可分為勻光弧極光、射線式光柱極光、射線式光弧光帶極光、簾幕狀極光、極光冕等。
按照極光觀測(cè)的電磁波波段,可分為光學(xué)極光、無(wú)線電極光等。
按照極光發(fā)生區(qū)域,可分為極蓋極光、極光帶極光 、中緯極光紅弧等。
現(xiàn)代潮流引導(dǎo)與推薦比照氣象學(xué)來(lái)區(qū)分極光的現(xiàn)象,但尚未被完全認(rèn)同。
產(chǎn)生原因 極光出現(xiàn)于星球的高磁緯地區(qū)上空,是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。而地球的極光,來(lái)自地球磁層和太陽(yáng)的高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))使高層大氣分子或原子激發(fā)(或電離)而產(chǎn)生。極光產(chǎn)生的條件有三個(gè):大氣、磁場(chǎng)、高能帶電粒子。這三者缺一不可。極光不只在地球上出現(xiàn),太陽(yáng)系內(nèi)的其他一些具有磁場(chǎng)的行星 上也有極光。 極光一般只在南北兩極的高緯度地區(qū)出現(xiàn),但是2010年8月1日的太陽(yáng)風(fēng)暴恰好面向地球爆發(fā),攜帶大量帶電粒子的太陽(yáng)風(fēng)準(zhǔn)確無(wú)誤地“擊中”地球,與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生“磁暴”,使美國(guó)密西密歇根州、丹麥和英國(guó) 等緯度稍低的地區(qū)都能夠看到美麗的北極光景觀。專家稱,這一次的太陽(yáng)風(fēng)暴并沒有像事先推測(cè)的那樣破壞全球的衛(wèi)星和電信系統(tǒng),卻給地球帶來(lái)一場(chǎng)壯麗的“焰火盛會(huì)”。 極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子到達(dá)地球附近,地球磁場(chǎng)迫使其中一部分沿著磁場(chǎng)線集中 到南北兩極。當(dāng)他們進(jìn)入極地的高層大氣(>80km)時(shí),與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā),能量釋放產(chǎn)生的光芒形成圍繞著磁極的大圓圈,即極光。 極光最易出現(xiàn)的時(shí)期是 春分 和秋分兩個(gè)節(jié)氣來(lái)臨之前,且 春秋 兩季出現(xiàn)頻率更甚夏冬。這是因?yàn)樵诖悍趾颓锓謨晒?jié)氣時(shí)地球位置與“磁索”交錯(cuò)最甚。另外,在太陽(yáng)黑子多的時(shí)候或當(dāng)太陽(yáng)周期在日冕大量拋射增加和太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)的階段時(shí),極光出現(xiàn)的頻率和亮度也會(huì)增加。
早期觀點(diǎn) 許多世紀(jì)以來(lái),這一直是人們猜測(cè)和 探索的天象之謎。從前,愛斯基摩人以為那是鬼神引導(dǎo)死者靈魂上天堂的火炬。13世紀(jì)時(shí),人們則認(rèn)為那是格陵蘭冰原反射的光。到了 17世紀(jì),人們才稱它為北極光——北極曙光(在南極所見到的同樣的光稱為南極光)。 隨著科技的進(jìn)步,極光的奧秘也越來(lái)越為我們所知——原來(lái),這美麗的景色是太陽(yáng)與大氣層合作 表演出來(lái)的作品。在太陽(yáng)創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中,有一種能量被稱為“太陽(yáng)風(fēng)”。太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)噴射出的帶電粒子,是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流,因而屬于等離子態(tài)。太陽(yáng)風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng),以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)形如漏斗,尖端對(duì)著地球的南北兩個(gè)磁極,因此太陽(yáng)發(fā)出的帶電粒子沿著地磁場(chǎng)這個(gè)“漏斗”沉降,進(jìn)入地球的兩極地區(qū)。兩極的高層大氣,受到太陽(yáng)風(fēng)的轟擊后會(huì)發(fā)出光芒,形成極光。在南極地區(qū)形成的叫南極光,在北極地區(qū)形成的叫北極光。 在過去,有些理論被用來(lái)解釋這種現(xiàn)象,但都已經(jīng)過時(shí)了:
1.本杰明·佛蘭克林(Benjamin Franklin)的理論:神奇的北極光是濃稠的帶電粒子和極區(qū)強(qiáng)烈的雪和其他的濕氣作用造成的;
2.極光的電子來(lái)自太陽(yáng)發(fā)射的光束。這是克利斯蒂安柏克蘭在1900年提出的說(shuō)法,她在實(shí)驗(yàn)室用真空室和磁化的地球模型,顯示電子是如何被引導(dǎo)至極區(qū)。這個(gè)模型的問題包括本身缺乏在極區(qū)的極光、負(fù)電荷本身自行散射這些光束、而且仍然缺乏任何太空中的觀測(cè)證據(jù);
3.破水桶理論:極光是溢流出的輻射帶,這是詹姆斯·范艾倫和工作伙伴大約在1962年首先提出的。他們指出在輻射帶內(nèi)獲得的巨大能量很快就會(huì)在極光的漫射中耗盡。不久之后,很明顯地,陷在輻射帶內(nèi)的都是高能的帶正電離子,而在極光內(nèi)幾乎都是能量較低的電子;
4. 極光是太陽(yáng)風(fēng)中的粒子被地球的場(chǎng)線引導(dǎo)至大氣層頂端造成的。這適用于極光的尖點(diǎn),但在尖點(diǎn)之外,太陽(yáng)風(fēng)沒有直接的作用。另一方面,太陽(yáng)風(fēng)的能量主要都留駐在帶正電的離子,電子只有0.5eV,而在尖點(diǎn)上會(huì)上升至50~100eV,這仍然遠(yuǎn)低于極光的能量。
現(xiàn)代觀點(diǎn) 許多科學(xué)家正在對(duì)極光作深入的研究。人們看到的極光,主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且,極光的顏色和強(qiáng)度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量。用一個(gè)形象比喻,可以說(shuō)極光活動(dòng)就像磁層活動(dòng)的實(shí)況電視畫面。沉降粒子為電視機(jī)的電子束,地球大氣為電視屏幕,地球磁場(chǎng)為電子束導(dǎo)向磁場(chǎng)??茖W(xué)家從這個(gè)天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動(dòng)的大量信息。例如,通過極光譜分析可以了解沉降 粒子束 來(lái)源,粒子種類,能量大小,地球磁尾的結(jié)構(gòu),地球磁場(chǎng)與 行星磁場(chǎng) 的相互作用,以及太陽(yáng)擾亂對(duì)地球的影響方式與程度等。 極光雖然美麗,但是在地球大氣層中投下的能量,可以與全世界各國(guó)發(fā)電廠所產(chǎn)生電容量的總和相比。這種能量常常攪亂無(wú)線電和雷達(dá)的信號(hào)。極光所產(chǎn)生的強(qiáng)力電流,也可以集結(jié)在長(zhǎng)途電話線或影響微波的傳播,使電路中的電流局部或完全“損失”,甚至使電力傳輸線受到嚴(yán)重干擾,從而使某些地區(qū)暫時(shí)失去電力供應(yīng)。怎樣利用極光所產(chǎn)生的能量為人類造福,是當(dāng)今科學(xué)界的一項(xiàng)重要使命。
產(chǎn)生原理 極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子到達(dá)地球附近,地球磁場(chǎng)迫使其中一部分沿著磁場(chǎng)線(Field line)集中到南北兩極。當(dāng)他們進(jìn)入極地的高層大氣時(shí),與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā),產(chǎn)生光芒,形成極光。經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北緯度67度附近的兩個(gè)環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi),阿拉斯加的費(fèi)爾班(Fairbanks)一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象,因此被稱為“北極光首都”。所以極光只能在地球的南北極被看見。
地球磁層 磁力線 攜帶太陽(yáng)風(fēng)的能量進(jìn)入地球內(nèi)部,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了地磁場(chǎng)的形成。在這磁層磁力線閉合環(huán)路上除了有地球內(nèi)部的導(dǎo)電體之外,另外還有大氣層的電離層這一弱導(dǎo)電體。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)烈時(shí),磁力線能量遇到地球內(nèi)部的磁感抗,有許多能量消耗不掉,于是就在電離層處形成了極光。
典故傳說(shuō)
中國(guó) 傳說(shuō)一
相傳公元前兩千多年的一天,夜來(lái)臨了。隨著夕陽(yáng)西沉,夜已將它黑色的翅膀張開在神州大地上,把遠(yuǎn)山、近樹、河流和土丘,以及所有的一切全都掩蓋起來(lái)。一個(gè)名叫 附寶 的年輕女子獨(dú)自坐在曠野上,她眼眉下的一灣秋水閃耀著火一般的激情,顯然是被這清幽的夜晚深深地吸引住了。夜空像無(wú)邊無(wú)際的大海,顯得廣闊。安詳而又神秘。天幕上,群星閃閃爍爍,靜靜地俯瞰著黑 魆 魆的地面,突然,在 北斗七星 中,飄灑出一縷彩虹般的神奇光帶,如煙似霧,搖曳不定,時(shí)動(dòng)時(shí)靜,像行云流水,最后化成一個(gè)碩大無(wú)比的光環(huán),縈繞在 北斗星 的周圍。其時(shí),環(huán)的亮度急劇增強(qiáng),宛如皓月懸掛當(dāng)空,向大地瀉下一片淡銀色的光華,映亮了整個(gè)原野。四下里萬(wàn)物都清晰分明,形影可見,一切都成為活生生的了。附寶見此情景,心中不禁為之一動(dòng)。由此便身懷六甲,生下了個(gè)兒子。這男孩就是黃帝 軒轅氏 。以上所述可能是世界上關(guān)于極光的最古老神話傳說(shuō)之一。 傳說(shuō)二
在我國(guó)的古書《 山海經(jīng) 》中也有極光的記載。書中談到北方有個(gè)神仙,形貌如一條紅色的蛇,在夜空中閃閃發(fā)光,它的名字叫燭龍。關(guān)于燭龍《 大荒北經(jīng) 》有如下一段描述:“西北海之外,赤水之北,有 章尾山 。有神,人面蛇身而赤,直目正乘,其瞑乃晦,其視乃明。不食不寢不息,風(fēng)雨是竭。是 燭九陰 ,是謂燭龍?!边@里所指的燭龍,實(shí)際上就是極光。
外國(guó) 極光這一術(shù)語(yǔ)來(lái)源于拉丁文伊歐斯一詞。傳說(shuō)伊歐斯是希臘神話中“黎明”(其實(shí),指的是晨曦和朝霞)的化身,是希臘神泰坦的女兒,是太陽(yáng)神和 月亮女神 的妹妹,她又是北風(fēng)等多種風(fēng)和黃昏星等多顆星的母親。極光還曾被說(shuō)成是獵戶星座的妻子。在藝術(shù) 作品中,伊歐斯被說(shuō)成是一個(gè)年輕的女人,她不是手挽個(gè)年輕的小伙子快步如飛地趕路,便是乘著飛馬駕挽的四輪車,從海中騰空而起;有時(shí)她還被描繪成這樣一個(gè)女神,手持大水罐,伸展雙翅,向世上施舍朝露,如同我國(guó)佛教故事中的觀音菩薩,普灑 甘露 到人間。 愛斯基摩人認(rèn)為極光是鬼神引導(dǎo)死者靈魂上天堂的火炬,原住民則視極光為神靈現(xiàn)身,深信快速移動(dòng)的極光會(huì)發(fā)出神靈在空中踏步的聲音,將取走人的靈魂,留下厄運(yùn)。
自然特征
極光之美 極光被視為自然界中最漂亮的奇觀之一。早在2000多年前,中國(guó)就開始觀測(cè)極光,有著豐富的極光記錄。極光多種多樣,五彩繽紛,形狀不一,綺麗無(wú)比,在自然界中還沒有哪種現(xiàn)象能與之媲美。任何彩筆都很難繪出那在嚴(yán)寒的兩極空氣中嬉戲無(wú)常、變幻莫測(cè)的炫目之光。 極光有時(shí)出現(xiàn)時(shí)間極短,猶如節(jié)日的焰火在空中閃現(xiàn)一下就消失得無(wú)影無(wú)蹤;有時(shí)卻可以在蒼穹之中輝映幾個(gè)小時(shí);有時(shí)像一條彩帶,有時(shí)像一團(tuán)火像一張五光十色的巨大銀幕,仿佛上映一場(chǎng) 球幕電影 ,給人視覺上以美的享受。如果我們乘著宇宙飛船 ,越過地球的南北極上空,從遙遠(yuǎn)的太空向地球望去,會(huì)見到圍繞地球磁極存在一個(gè)閃閃發(fā)亮的光環(huán),這個(gè)環(huán)就叫做 極光卵 。由于它們向太陽(yáng)的一邊有點(diǎn)被壓扁,而背太陽(yáng)的一邊卻稍稍被拉伸,因而呈現(xiàn)出卵一樣的形狀。極光卵處在連續(xù)不斷的變化之中,時(shí)明時(shí)暗,時(shí)而向赤道方向伸展,時(shí)而又向極點(diǎn)方向收縮。處在午夜部分的光環(huán)顯得最寬最明亮。長(zhǎng)期觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,極光最經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北 磁緯度 67度附近的兩個(gè)環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi),分別稱作南極光區(qū)和北極光區(qū)。在極光區(qū)內(nèi)差不多每天都會(huì)發(fā)生極光活動(dòng)。在極光卵所包圍的內(nèi)部區(qū)域,通常叫做 極蓋區(qū) ,在該區(qū)域內(nèi),極光出現(xiàn)的機(jī)會(huì)反而要比緯度較低的極光區(qū)來(lái)得少。在中低緯地區(qū),尤其是近赤道區(qū)域,很少出現(xiàn)極光,但并不是說(shuō)壓根兒觀測(cè)不到極光。1958年2月10日夜間的一次特大極光,在熱帶都能見到,而且顯示出鮮艷的紅色。這類極光往往與特大的 太陽(yáng)耀斑 暴發(fā)和強(qiáng)烈的地磁暴有關(guān)。在寒冷的極區(qū),人們舉目瞭望夜空,常常見到五光十色,千姿百態(tài),各種各樣形狀的極光。毫不夸大地說(shuō),在世界上簡(jiǎn)直找不出兩個(gè)一模一樣的極光形體來(lái),從科學(xué)研究的角度,人們將極光按其形態(tài)特征分成五種:一是底邊整齊微微彎曲 的圓弧狀的極光?。欢怯袕澟ふ郯櫟娘h帶狀的極光帶;三是如云朵一般的片朵狀的極光片;四是面紗一樣均勻的帳幔狀的極光幔;五是沿磁力線方向的射線狀的 極光芒 。 極光形體的亮度變化也是很大的,從剛剛能看得見的銀河星云般的亮度,一直亮到滿月時(shí)的月亮亮度。在強(qiáng)極光出現(xiàn)時(shí),地面上物體的輪廓都能被照見,甚至?xí)粘鑫矬w的影子來(lái)。最為動(dòng)人的當(dāng)然是極光運(yùn)動(dòng)所造成的瞬息萬(wàn)變的奇妙景象。我們形容事物變得快時(shí)常說(shuō):“眼睛一眨, 老母雞 變鴨?!睒O光可真是這樣,翻手為云,覆手為雨,變化莫測(cè),而這一切又往往發(fā)生在幾秒鐘或數(shù)分鐘之內(nèi)。極光的運(yùn)動(dòng)變化,是自然界這個(gè)魔術(shù)大師,以天空為舞臺(tái)上演的一出光的話劇,上下縱橫成百上千公里,甚至還存在近萬(wàn)公里長(zhǎng)的極光帶。這種宏偉壯觀的自然景象,好像沾了一點(diǎn)仙氣似的,頗具神秘色彩。令人嘆為觀止的則是極光的色彩,早已不能用五顏六色去描繪。說(shuō)到底,其本色不外乎是紅、綠、紫、藍(lán)、白、黃,可是大自然這一超級(jí)畫家用出神入化的手法,將深淺濃淡、隱顯明暗一搭配、一組合,好家伙,一下子變成了 萬(wàn)花筒 啦。根據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì),能分辨清楚的極光色調(diào)已達(dá)一百六十余種。極光這般多姿多彩,如此變化萬(wàn)千,又是在這樣遼闊無(wú)垠的穹窿中、漆黑寂靜的寒夜里和荒無(wú)人煙的極區(qū),此情此景,此時(shí)此刻,面對(duì)五彩繽紛的極光圖形,親愛的讀者,你說(shuō)能不令人心醉,不叫人神往嗎?無(wú)怪乎在許許多多的極區(qū)探險(xiǎn)者和旅行家的筆記中,描寫極光時(shí)往往顯得語(yǔ)竭詞窮,只好說(shuō)些“無(wú)法以言語(yǔ)形容”,“再也找不出合適的詞句加以描繪”之類的話作為遁辭。是的,普通的美麗、壯觀、奇妙等字眼在極光面前均顯得異常的蒼白無(wú)力,可以說(shuō),即使有生花妙筆也難述說(shuō)極光的神采、氣勢(shì)、秉性脾氣于萬(wàn)一。
神奇聲音 北極光是指常出現(xiàn)于地球高緯度地區(qū)高層大氣中的發(fā)光現(xiàn)象,是太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。北極光非常絢爛美麗,而伴隨北極光發(fā)生的,是一種很神秘的聲音。
一直以來(lái),有關(guān)這種神秘的北極光聲音流傳著許多的傳說(shuō),也讓在荒野的人們感到恐懼和敬畏。
北極光發(fā)出的這種含混不清的爆裂聲的來(lái)源,終于首次在科學(xué)上得到了合理的解釋。
芬蘭阿爾托大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了北極光神秘聲音的來(lái)源,這種聲音產(chǎn)生于距地面70米的空中。與此相比,由地球磁場(chǎng)干擾而產(chǎn)生的絢爛而變幻莫測(cè)的北極光,則是產(chǎn)生于距離地面120千米的高空。
為了找到聲音的來(lái)源,科學(xué)家們利用了三個(gè)互相獨(dú)立的麥克風(fēng),在觀測(cè)點(diǎn)記錄下了北極光的聲音。接著,科學(xué)家們對(duì)這些聲音進(jìn)行對(duì)比分析,從而最終確定了北極光聲音的來(lái)源。當(dāng)北極光在觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的同時(shí),芬蘭氣象研究所也同步測(cè)量到了伴隨北極光產(chǎn)生了地磁干擾。
阿爾托大學(xué) 的萊恩(Unto K. Laine)教授表示,“我們研究發(fā)現(xiàn),在北極光出現(xiàn)期間,人們可以聽見一種伴隨極光自然產(chǎn)生的聲音。過去,我們認(rèn)為極光離我們太遠(yuǎn),不可能會(huì)聽到極光發(fā)出的聲音,這種推斷沒有錯(cuò),但事實(shí)是,極光是由太陽(yáng)產(chǎn)生的能量粒子干擾地球磁場(chǎng)而產(chǎn)生的,它們?cè)诤苓h(yuǎn)的天邊,伴隨極光的聲音也是由類似原因而產(chǎn)生,只不過產(chǎn)生這種聲音的地方離地面更近。” 有關(guān)北極光神秘聲音產(chǎn)生的具體原因仍然是一個(gè)迷,這種聲音并不是每次都會(huì)伴隨極光而來(lái)。從被記錄下來(lái)的聲音來(lái)看,這種聲音聽起來(lái)像是一種含混不清的爆裂聲,并往往只持續(xù)一小段時(shí)間。另外一些聽到過極光聲音的人把這種聲音描述為一種噼啪聲,并且感覺聲音的距離很遠(yuǎn)。通過這些不同的描述,科學(xué)家們推測(cè)北極光聲音產(chǎn)生的背后可能有著若干不同的原理。
觀測(cè)地點(diǎn) 大多數(shù)極光發(fā)生在地球上空90~130千米處。美國(guó)匹茲堡磁緯高,就比在北京看到極光的機(jī)會(huì)大多了。2004年11月7日晚,較強(qiáng)極光匹茲堡出現(xiàn)過。 肉眼能看出綠色,紅色。2003年11月20日傍晚,極光出現(xiàn)于匹茲堡南方地平線,一小時(shí)后消退。半夜時(shí)又發(fā)生于北方低空。2003年10月30日出在匹茲堡的極光,雖然是在光污染嚴(yán)重的市內(nèi),但仍能看到紅色的光芒。但有些極光要高得多。1959年,一次北極光 所測(cè)得的高度是160千米,寬度超過4800千米。在地平線上的城市燈光和高層建筑可能會(huì)妨礙我們看光,所以最佳的極光景象要在鄉(xiāng)間空曠地區(qū)才能觀察得到。美國(guó)的費(fèi)爾班克斯一年有200多天能看到極光;而在佛羅里達(dá)州,一年平均只能見到4次左右。我國(guó)最北端的 漠河 ,也是觀看極光的好地方。18世紀(jì)中葉,瑞典一家地球物理 觀象臺(tái) 的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),當(dāng)該臺(tái)觀測(cè)到極光的時(shí)候,地面上的 羅盤 的指針會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的方向變化,變化范圍有1度之多。與此同時(shí),倫敦的 地磁臺(tái) 也記錄到類似的這種現(xiàn)象。由此他們認(rèn)為,極光的出現(xiàn)與地磁場(chǎng)的變化有關(guān)。原來(lái),極光是太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)噴射出的帶電粒子,當(dāng)它吹到地球上空,會(huì)受到地球磁場(chǎng)的作用。高層大氣是由多種氣體組成的,不同元素的氣體受轟擊后所發(fā)出的光的前面色不一樣。例如氧被激后發(fā)出綠光和紅光,氮被激后發(fā)出紫色的光, 氬 激后發(fā)出藍(lán)色的光,因而極光就顯得絢麗多彩,變幻無(wú)窮。 由于與日地空間行星際磁場(chǎng)的 偶合作用 ,變形的地球磁場(chǎng)的兩極外各形成一個(gè)狹窄的、磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱的極尖區(qū)。因?yàn)榈入x子體具“凍結(jié)”磁力線特性,所以,太陽(yáng)風(fēng)粒子不能穿越地球磁場(chǎng),而只能通過極尖區(qū)進(jìn)入地球磁尾。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生劇烈變化時(shí)(如耀斑爆發(fā)),常引起地球磁層亞暴。于是這些帶電粒子被加速,并沿磁力線運(yùn)動(dòng)。從極區(qū)向地球注入,這些帶電粒子撞擊高層大氣中的氣體分子和原子,使后者被激發(fā)——退激而發(fā)光。不同的分子,原子發(fā)生不同顏色的光,這些單色光混合在一起,就形成多姿多彩的極光。事實(shí)上,極光的形成與太陽(yáng)活動(dòng)息息相關(guān)。逢到太陽(yáng)活動(dòng)極大年,可以看到比平常年更為壯觀的極光景象。在許多以往看不到極光的緯度較低的地區(qū),也能有幸看到極光。2000年4月6日晚,在歐洲和美洲大陸的北部,出現(xiàn)了極光景象。在地球北半球一般看不到極光的地區(qū),甚至在美國(guó)南部的佛羅里達(dá)州和德國(guó)的中部及南部廣大地區(qū)也出現(xiàn)了極光。當(dāng)夜,紅、藍(lán)、綠相間的光線布滿夜空中,場(chǎng)面極為壯觀。雖然這是一件難得一遇的幸事,但在往日平淡的天空突然出現(xiàn)了絢麗的色彩,在許多地區(qū)還造成了恐慌。據(jù)德國(guó)波鴻天文觀象臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)卡明斯基說(shuō),當(dāng)夜德國(guó)萊茵地區(qū)以北的警察局和天文觀象臺(tái)的電話不斷,有的人甚至懷疑又發(fā)生毒氣泄漏事件。這次極光現(xiàn)象被遠(yuǎn)在160公里高空的觀測(cè)太陽(yáng)的宇宙飛行器ACE發(fā)現(xiàn),并發(fā)出了預(yù)告。在北京時(shí)間4月7日凌晨零時(shí)三十分,宇宙飛行器ACE發(fā)現(xiàn)一股攜帶著強(qiáng)大帶電粒子的太陽(yáng)風(fēng)從它旁邊掠過,而且該太陽(yáng)風(fēng)突然加速,速度從每秒375公里提高到每秒600公里,一小時(shí)后,這股太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地球大氣層外緣,為我們顯示了難得一見的造化神工。
研究發(fā)展 1619年, 伽利略 以羅馬神話的 曙光女神 奧羅拉 (Aurora)之名創(chuàng)造出“aurora borealis”一詞。伽利略解釋極光是由反射從地球上上升蒸氣的太陽(yáng)光。法國(guó)數(shù)學(xué)家 皮埃爾·伽桑狄 在1621年以希臘語(yǔ)的北風(fēng)稱之為“Boreas”。 沃爾特·威廉·布賴恩特在他的書《開普勒》(1920)一書中寫 第谷·布拉赫 “認(rèn)為順勢(shì)療法醫(yī)師似乎有什么東西,他懷疑是硫,治愈了北極光的 硫磺 蒸氣帶來(lái)的傳染性疾病”。 1741年,歐羅夫·休爾特和 安德斯·攝爾修斯 觀測(cè)到出現(xiàn)在頭頂上方的極光,并描述為受到磁場(chǎng)控制。這表示(以后獲得證實(shí))大電流會(huì)與極光有所關(guān)聯(lián),流出的區(qū)域就是極光的源頭。 本杰明·富蘭克林 認(rèn)為“神秘的北極光”是北極地區(qū)被水和其它的濕氣增強(qiáng)了濃度而強(qiáng)化的帶電粒子。 19世紀(jì)中后期,伊萊亞斯·羅密士(1860)和稍晚的赫爾曼·費(fèi)茨(Hermann Fritz, 1881)先后詳細(xì)敘述極光與磁場(chǎng)的關(guān)系。
1882年,特隆歐爾(S. Tromholt)確定極光主要出現(xiàn)在圍繞地球磁極約2500公里半徑的環(huán)形“極光帶”。在距離磁極約2000公里的地理北極則幾乎不曾出現(xiàn)過極光。暫態(tài)分布的極光(“極光橢圓”)則稍有不同,中心會(huì)由磁極向夜側(cè)偏移3-5度,所以當(dāng)磁極位于太陽(yáng)和觀測(cè)者之間對(duì)齊時(shí),毫無(wú)疑問的 極光弧 在子夜會(huì)最偏向赤道的方向。這也是觀賞極光最佳的時(shí)段,稱為磁性子夜。 1890年,挪威物理學(xué)家柏克蘭認(rèn)為,離地球1.5億千米的太陽(yáng)幾乎連續(xù)不斷地向地球放射物質(zhì)點(diǎn)。而離地球5萬(wàn)千米至6.5萬(wàn)千米以外有一層磁場(chǎng)將地球罩住。當(dāng)太陽(yáng)的質(zhì)點(diǎn)直射這層磁場(chǎng)而被擋住時(shí),它便向地球四周擴(kuò)散,尋找鉆入的空隙,結(jié)果約有1%的質(zhì)點(diǎn)鉆入 北磁極 附近的大氣層。每顆太陽(yáng)質(zhì)點(diǎn)含有等于1000伏特的電力。它們?cè)?00千米外的高空大氣層中與原子和多半由氧和氮構(gòu)成的分子相遇,原子吸收了太陽(yáng)質(zhì)點(diǎn)所含的一部分能量時(shí),立即又將這能量釋放出來(lái)而產(chǎn)生的強(qiáng)光,氧發(fā)出綠色和紅色的光,氮?jiǎng)t發(fā)出紫、藍(lán)和一些深紅色的光。這些繽紛的色彩組成了綺麗壯觀的極光景象。 1896年,克里斯蒂安·伯克蘭提出極光起因于來(lái)自太陽(yáng)所發(fā)射的帶電粒子束。他在真空室中放入一個(gè)磁化的球(代表微型地球的“terrellas”球),以電子射束進(jìn)行實(shí)驗(yàn),表明電子將被引導(dǎo)至極區(qū)。這個(gè)模型的問題是極光本身沒有極性,還有更多負(fù)電荷本身的自我分散性等,并且缺乏任何在太空中的觀測(cè)證據(jù)。極光是太陽(yáng)風(fēng)粒子受到地球磁場(chǎng)的導(dǎo)引,在地球大氣層頂?shù)母咛幃a(chǎn)生。這對(duì)極光尖點(diǎn)是正確的,但是在尖點(diǎn)之外,太陽(yáng)風(fēng)并未直接接近。此外,太陽(yáng)風(fēng)的能量主要是駐留在 正離子 ,電子只有0.5Ev( 電子伏特 ),而在尖點(diǎn)雖然會(huì)升高至50-100eV,但依然沒有達(dá)到極光的能量。 1908年,克里斯蒂安·伯克蘭推論電流是沿著東西方向的極光弧流動(dòng)的,流向是從白天側(cè)朝向(大致)子夜,后來(lái)被稱為“極光電流”(參見伯克蘭電流)。
約在1962年時(shí), 詹姆斯·范·艾倫 及其同事提出“漏桶理論”,認(rèn)為極光是從范艾倫輻射帶溢出的,以反駁極光的高能量散逸會(huì)很快地耗盡輻射帶。不久之后,事實(shí)顯示被困在輻射帶中大份都是帶正電的離子,而極光中的粒子幾乎都是 相對(duì)能量 較低的電子。 1970年代,美國(guó)天體物理學(xué)家瓊·費(fèi)曼推論極光是地球磁層和太陽(yáng)風(fēng)發(fā)生相互作用的產(chǎn)物。她的工作結(jié)果來(lái)自“探險(xiǎn)家33號(hào)”(“Explorer 33”)太空船搜集的資料。
2007年2月,美國(guó)國(guó)家航空航天局“西蜜斯衛(wèi)星任務(wù)”(“THEMIS”)的5個(gè)人造衛(wèi)星群成功發(fā)射升空。3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測(cè)到北極光出現(xiàn)兩小時(shí),同一時(shí)間衛(wèi)星也偵測(cè)到帶電粒子流接觸到北極磁場(chǎng),并首度測(cè)到扭曲磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的安吉羅波洛斯根據(jù)衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)推斷:太陽(yáng)釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球,碰到北極上空磁場(chǎng)時(shí)又形成若干扭曲的磁場(chǎng),帶電粒子的能量在瞬間釋放,以燦爛眩目的北極光形式呈現(xiàn)。其研究結(jié)果已于2007年12月9日在“ 美國(guó)地球物理學(xué)會(huì) ”的學(xué)術(shù)會(huì)議中發(fā)表。 2008年2月26日,西蜜斯衛(wèi)星任務(wù)得以確定,這是第一次,啟動(dòng)磁層副暴的觸發(fā)器距離三分之一處,測(cè)量的事件顯示磁場(chǎng)。根據(jù)“西蜜斯衛(wèi)星任務(wù)”(傳回的新數(shù)據(jù),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球,碰到北極上空磁場(chǎng)時(shí)又形成若干扭曲的磁場(chǎng),帶電粒子的能量在瞬間釋放,以燦爛眩目的北極光形式呈現(xiàn),而地球的極光主要只有紅、綠二色是因?yàn)樵?/span>熱成層 的氮?dú)夂脱踉颖?/span>電子碰撞 ,分別發(fā)出紅色和綠色光。瑟密斯衛(wèi)星任務(wù)的5個(gè)人造衛(wèi)星群于2007年2月成功發(fā)射升空,3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測(cè)到北極光出現(xiàn)兩小時(shí),同一時(shí)間衛(wèi)星也偵測(cè)到帶電粒子流接觸到北極磁場(chǎng)。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是,帶電粒子和磁場(chǎng)接觸形成的 地磁風(fēng)暴 以每分鐘650公里的速度掠過空中,威力相當(dāng)于 芮氏規(guī)模 5.5級(jí)的地震??茖W(xué)家早就懷疑,北極光的能源來(lái)自帶電粒子與北極磁場(chǎng)接觸產(chǎn)生的扭曲磁場(chǎng),但這個(gè)理論一直到2010年5月才獲得證實(shí)。當(dāng)時(shí)瑟密斯任務(wù)的衛(wèi)星群從地球上空6萬(wàn)多公里首度測(cè)到扭曲磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。
其他行星 木星和 土星 這兩顆行星都有比地球更強(qiáng)的磁場(chǎng)( 木星 在赤道的磁場(chǎng)強(qiáng)度是4.3高斯,相較之下地球只有0.3高斯),而且兩者也都有強(qiáng)大的輻射帶。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡也很清楚的看見這兩顆行星的極光。在巨大氣體行星上的極光看起來(lái)與地球的相似,也是由太陽(yáng)風(fēng)提供能量,另外,木星的衛(wèi)星,特別是埃歐,更是木星極光的能量來(lái)源。這些電流是沿著場(chǎng)線(場(chǎng)準(zhǔn)直電流)涌生出的,肇因于衛(wèi)星繞著行星公轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),引起的發(fā)電機(jī)機(jī)制。有著火山活動(dòng)和電離層的埃歐,是帶電粒子的強(qiáng)力來(lái)源,從1955年開始就在研究由它的電流所發(fā)射出來(lái)的電波輻射。使用哈柏太空望遠(yuǎn)鏡也在埃歐、 歐羅巴 和 甘尼米德 上觀測(cè)到極光,當(dāng)木星 磁氣圈 的等離子撞擊到它們稀薄的大氣層時(shí),就會(huì)產(chǎn)生極光。在 金星 和火星上也曾觀測(cè)到極光。因?yàn)榻鹦菦]有內(nèi)在(行星本身)的磁場(chǎng),金星的極光呈現(xiàn)不同的形狀和強(qiáng)度,看起來(lái)是明亮但彌漫的補(bǔ)丁,有時(shí)會(huì)分布在整個(gè)行星的盤面。金星的極光源自太陽(yáng)風(fēng)的粒子撞擊和陷入在夜晚側(cè)的大氣層。在2004年8月14日, 火星快車號(hào) 上的儀器SPICAM檢測(cè)到火星的極光。這道極光位于erra Cimmeria,東經(jīng)177°,南緯52°,輻射區(qū)域大約寬30公里,高度在8公里左右。經(jīng)由分析包括 火星全球探勘者號(hào) 過去的地殼磁場(chǎng)異常資料,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)輻射的地區(qū)是相對(duì)來(lái)說(shuō)是區(qū)域性的局部磁場(chǎng)最強(qiáng)的地區(qū)。這種相關(guān)性顯示,電子是通過火星地殼的磁力線與被激發(fā)的大氣層移動(dòng)。 南歐洲天文臺(tái)發(fā)表了在2000年11月拍攝到木星上極光的照片,和木星兩極上空的煙霧,這是科學(xué)家第一次清楚拍攝到木星兩極的情況。
木星(Jupiter)離地球( Earth )約六億一千萬(wàn)公里,過去,科學(xué)家曾經(jīng)利用太空總署(NASA)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope),拍攝到木星極光( aurora )的照片,不過,使用南歐洲天文臺(tái)(European Southern Observatory)的紅外線(infrared)望遠(yuǎn)鏡,科學(xué)家可以更清楚地觀察到木星極光和北極上空的煙霧。 科學(xué)家指出,極光是環(huán)繞木星的磁軸(magnetic axis),而這些煙霧,是環(huán)繞著木星的旋轉(zhuǎn)軸(rotation axis),是在極光環(huán)之下;煙霧是受到木星上的地帶風(fēng)(zonal winds)影響,這些地帶風(fēng)是在同一緯度(latitude)上移動(dòng)的;科學(xué)家相信,木星以十小時(shí)一次的迅速自轉(zhuǎn),也會(huì)影響兩極上空煙霧的移動(dòng)。
對(duì) 土星極光 發(fā)射所做的一項(xiàng)新的研究,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)二級(jí)極光卵形環(huán)(auroral oval),亮度是主極光卵形環(huán)的四分之一。主極光卵形環(huán)是十多年前首次在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的圖像中看到的,此后其形態(tài)已被詳細(xì)確定,但關(guān)于其起源一直存在爭(zhēng)論。一種理論認(rèn)為,它們是地球上所看到的極光卵形環(huán)(主要由與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用形成)和木星上的極光卵形環(huán)(由與等離子流的相互作用形成)之間的一個(gè)混合結(jié)構(gòu)。但土星二級(jí)極光卵形環(huán)的性質(zhì)表明,它是木星主極光卵形環(huán)的一個(gè)弱 對(duì)應(yīng)體 ,它之所以相對(duì)較暗,是由于土星沒有一個(gè)像“ 木衛(wèi)一 ”(有 火山噴發(fā) 活動(dòng))這樣的大型離子源。因此土星和木星上的極光形成過程是非常相似的,其外觀的差別是由比例尺差別造成的。 木星遠(yuǎn)紫外線噴射最新觀測(cè)顯示,明亮的木星極光爆發(fā)很可能是由行星-衛(wèi)星交互作用產(chǎn)生的,而不是受太陽(yáng)活動(dòng)性影響。研究小組指出,木星極光噴射揭示能量通過木星大磁氣圈傳輸和消散,然而主要的極光噴射是恒穩(wěn)態(tài)行星旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部驅(qū)動(dòng),短暫的明亮發(fā)光通常被認(rèn)為是外部太陽(yáng)風(fēng)受壓引發(fā)。Hisaki探測(cè)器和哈勃望遠(yuǎn)鏡提供的證據(jù)表明,最新觀測(cè)到的明亮木星極光實(shí)際上是內(nèi)部驅(qū)動(dòng)所致。強(qiáng)烈噴射從木星極冠區(qū)域延伸至木衛(wèi)一極光跡象附近的緯度,暗示著通過內(nèi)部等離子循環(huán)過程,能量快速進(jìn)入木星極地區(qū)域。
木星觀測(cè)者知道這顆巨大行星經(jīng)常出現(xiàn)極光,比地球極光明亮數(shù)千倍,并且覆蓋范圍是地球面積數(shù)倍,通常他們認(rèn)為木星極光是太陽(yáng)帶電粒子與木星磁場(chǎng)發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的,也可能是由于木星和它的衛(wèi)星單獨(dú)交互作用所致。
但是這些極光耀眼明亮周期類似于地球極光,沒有人能夠明確跟蹤分析究竟是哪一種原因?qū)е碌?。木星和木衛(wèi)一交互作用產(chǎn)生的極光現(xiàn)象,木衛(wèi)一表面火山釋放帶電離子和 電子云 ,進(jìn)入木星周邊彌漫強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域,這里的磁場(chǎng)是地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)千倍。 伴隨著木星快速旋轉(zhuǎn),木星磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)作用下牽引木衛(wèi)一物質(zhì)環(huán)繞其周圍,導(dǎo)致木星極地出現(xiàn)強(qiáng)電場(chǎng)。這種加速離子和電子產(chǎn)生強(qiáng)極光現(xiàn)象,幾乎照亮了 電磁波譜 所有部分,但不包括紫外線、 X射線 高能波譜帶。
補(bǔ)充資料 極光是南北極地區(qū)特有的一種大氣發(fā)光現(xiàn)象。極光在東西方的神話傳說(shuō)中都留下了美麗的身影,現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展,使人類能夠用理性的眼光看待極光,對(duì)它作出科學(xué)的解釋。
長(zhǎng)期以來(lái),極光的成因機(jī)理未能得到滿意的解釋。在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),人們一直認(rèn)為極光可能是由以下三種原因形成的。一種看法認(rèn)為極光是地球外面燃起的大火,因?yàn)楸睒O區(qū)臨近地球的邊緣,所以能看到這種大火。另一種看法認(rèn)為,極光是紅日西沉以后,透射反照出來(lái)的輝光。還有一種看法認(rèn)為,極地冰雪豐富,它們?cè)诎滋煳贞?yáng)光,貯存起來(lái),到夜晚釋放出來(lái),便成了極光。總之,眾說(shuō)紛紜,無(wú)一定論。直到20世紀(jì)60年代,將地面觀測(cè)結(jié)果與衛(wèi)星和火箭探測(cè)到的資料結(jié)合起來(lái)研究,才逐步形成了極光的物理性描述。
人們認(rèn)識(shí)到,極光一方面與地球高空大氣和地磁場(chǎng)的大規(guī)模相互作用有關(guān),另一方面又與太陽(yáng)噴發(fā)出來(lái)的高速帶電粒子流有關(guān),這種粒子流通常稱為太陽(yáng)風(fēng)。由此可見,形成極光必不可少的條件是大氣、磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng),缺一不可。具備這三個(gè)條件的太陽(yáng)系其他行星,如木星和 水星 ,它們的周圍,也會(huì)產(chǎn)生極光,這已被實(shí)際觀察的事實(shí)所證明。 地磁場(chǎng)分布在地球周圍,被太陽(yáng)風(fēng)包裹著,形成一個(gè)棒槌狀的膠體,它的科學(xué)名稱叫做磁層。為了更形象化,我們打這樣一個(gè)比方。可以把磁層看成一個(gè)巨大無(wú)比的電視機(jī) 顯像管 ,它將進(jìn)入高空大氣的太陽(yáng)風(fēng)粒子流匯聚成束,聚焦到地磁的極區(qū),極區(qū)大氣就是顯像管的 熒光屏 ,極光則是電視屏幕上移動(dòng)的圖像。但是,這里的電視屏幕卻不是18英寸或24英寸,而是直徑為4000公里的極區(qū)高空大氣。通常,地面上的觀眾,在某個(gè)地方只能見到畫面的1/50。在電視顯像管中,電子束擊中電視屏幕,因?yàn)槠辽贤坑邪l(fā)光物質(zhì),會(huì)發(fā)射出光,顯示成圖像。同樣,來(lái)自空間的電子束,打入極區(qū)高空大氣層時(shí),會(huì)激發(fā)大氣中的分子和原子,導(dǎo)致發(fā)光,人們便見到了極光的圖像顯示。在電視顯像管中,是一對(duì)電極和一個(gè) 電磁鐵 作用于電子束,產(chǎn)生并形成一種活動(dòng)的圖像。在極光發(fā)生時(shí),極光的顯示和運(yùn)動(dòng)則是由于粒子束受到磁層中電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化的調(diào)制造成的。 極光不僅是個(gè)光學(xué)現(xiàn)象,而且是個(gè)無(wú)線電現(xiàn)象,可以用雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)研究,它還會(huì)輻射出某些無(wú)線電波。有人還說(shuō),極光能發(fā)出各種各樣的聲音。極光不僅是科學(xué)研究的重要課題,它還直接影響到無(wú)線電通信,長(zhǎng)電纜通信,以及長(zhǎng)的管道和電力傳送線等許多實(shí)用工程項(xiàng)目。極光還可以影響到氣候,影響生物學(xué)過程。當(dāng)然,極光也還有許許多多沒有解開的謎。
產(chǎn)生極光的原因是來(lái)自大氣外的高能粒子(電子和 質(zhì)子 )撞擊高層大氣中的原子的作用。這種相互作用常發(fā)生在地球磁極周圍區(qū)域。作為太陽(yáng)風(fēng)的一部分荷電粒子在到達(dá)地球附近時(shí),被地球磁場(chǎng)俘獲,并使其朝向磁極下落。它們與氧和氮的原子碰撞,擊走電子,使之成為激發(fā)態(tài)的離子,這些離子發(fā)射不同波長(zhǎng)的輻射,產(chǎn)生出紅、綠或藍(lán)等色的極光特征色彩。在太陽(yáng)活動(dòng)盛期,極光有時(shí)會(huì)延伸到中緯度地帶,例如,在美國(guó),南到北緯40度處還曾見過北極光。極光有發(fā)光的帷幕狀、弧狀、帶狀和射線狀等多種形狀。發(fā)光均勻的弧狀極光是最穩(wěn)定的外形,有時(shí)能存留幾個(gè)小時(shí)而看不出明顯變化。然而,大多數(shù)其他形狀的極光通??偸浅尸F(xiàn)出快速的變化?;畹暮驼郫B狀的極光的 下邊緣 輪廓通常都比上端更明顯。極光最后都朝地極方向退去,輝光射線逐漸消失在彌漫的白光天區(qū)。造成極光動(dòng)態(tài)變化的機(jī)制尚示完全明了。在太陽(yáng)創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中,有一種能量被稱為“太陽(yáng)風(fēng)”。這是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流,該太陽(yáng)風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng),以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場(chǎng),磁場(chǎng)使該顆粒流偏向地磁極,從而導(dǎo)致帶電顆粒與地球上層大氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成極光。在南極地區(qū)形成的叫南極光。在北極地區(qū)同樣可看到這一現(xiàn)象,一般稱之為北極光。 科學(xué)家已經(jīng)了解到,地球磁場(chǎng)并不是對(duì)稱的。在太陽(yáng)風(fēng)的吹動(dòng)下,它已經(jīng)變成某種“流線型”。就是說(shuō)朝向太陽(yáng)一面的磁力線被大大壓縮,相反方向卻拉出一條長(zhǎng)長(zhǎng)的,形似 彗尾 的地球磁尾。磁尾的長(zhǎng)度至少有1000個(gè)地球半徑長(zhǎng)。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生劇烈變化時(shí)(如耀斑爆發(fā)),常引起地球磁層亞暴。 現(xiàn)年40歲的琳達(dá)-德雷克(Linda Drake)在過去的4年中拍攝了眾多美輪美奐的北極光圖片。每年她都會(huì)冒著零下20度的低溫來(lái)到加拿大馬尼托巴省,以期能捕捉到最精彩的極光圖片。如圖右
2017年6月13日,日本國(guó)立極地研究所與 東京大學(xué) 、 京都大學(xué) 和 名古屋大學(xué) 的研究團(tuán)隊(duì)宣布,利用高性能攝像機(jī),歷時(shí)3年成功拍攝到高速閃爍的極光影像。短時(shí)間里重復(fù)出現(xiàn)明暗閃爍的特殊極光是在 氫離子 作用下產(chǎn)生。外界期待此研究能進(jìn)一步揭開極光發(fā)生之謎。