極光是怎樣形成的？

□ 國(guó)家天文臺(tái) 黃亞芳

迷你問(wèn)答系列（六）

極光是怎樣形成的？

□ 國(guó)家天文臺(tái) 黃亞芳

圖中是冰島上空的綠色極光，與前景冰川相呼應(yīng)，仿佛是一座正在噴發(fā)的綠色火山。倒映在湖面上的淡綠色光影、天上的云朵和西沉的明月交相輝映，美不勝收。（圖片來(lái)源：APOD）

雖然我們大多數(shù)人并沒(méi)有親眼見(jiàn)到過(guò)極光，但只要提到它依然會(huì)在腦中閃過(guò)這樣的畫面：空曠的夜空中，縹緲的綠光如絲帶般飛舞飄動(dòng)。極光真的是這樣嗎？極光到底是怎樣形成的呢？

Q 極光是怎樣形成的？

A 在介紹極光的形成之前，我們先來(lái)介紹一下地球生命的保護(hù)傘——地球磁場(chǎng)。

我們可以把地球視為一個(gè)巨大的磁鐵，其中磁北極在地理北極附近、磁南極在地理南極附近。這兩極所產(chǎn)生的球體磁場(chǎng)即為地球磁場(chǎng)。指南針正是利用了磁鐵的指極特性來(lái)幫助我們辨別方向，不過(guò)由于通過(guò)兩個(gè)磁極的假想直線（磁軸）與地球的自轉(zhuǎn)軸大約成11.5度的夾角，因此指南針?biāo)傅姆较虿⒉皇堑乩砩系恼媳狈较颉?/p>

地球磁場(chǎng)

地球保護(hù)傘——地球磁場(chǎng)

地磁場(chǎng)一個(gè)重要的作用是保護(hù)地球生命免受太陽(yáng)風(fēng)的危害。太陽(yáng)風(fēng)是一種等離子體，地球磁場(chǎng)的存在像是為地球張開(kāi)了一把大傘有效地阻止了太陽(yáng)風(fēng)的長(zhǎng)驅(qū)直入。在地球磁場(chǎng)的“抵抗”下，太陽(yáng)風(fēng)中的大部分高能粒子會(huì)繞過(guò)地球磁場(chǎng)，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，但有些高能粒子會(huì)被地球磁場(chǎng)俘獲，并沿著磁力線向磁極落下。這些下落的高能帶電粒子，與兩極大氣層中的氧、氮等分子、原子發(fā)生碰撞，成為激發(fā)態(tài)的離子，并發(fā)射出不同波長(zhǎng)的輻射。由此便產(chǎn)生出壯美的極光。因此，極光不只在地球上出現(xiàn)，太陽(yáng)系內(nèi)其他具有磁場(chǎng)的行星上也會(huì)有極光出現(xiàn)。

超鏈接：太陽(yáng)風(fēng)

在太陽(yáng)日冕層的高溫（上百萬(wàn)開(kāi)爾文）下，氫、氦等原子已經(jīng)被電離成帶正電的質(zhì)子、氦原子核和帶負(fù)電的自由電子等。這些帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽(yáng)的引力束縛，沖向太陽(yáng)的外圍，形成太陽(yáng)風(fēng)。

Q 極光是什么顏色的？

A從上文我們知道，美麗的極光

正是太陽(yáng)風(fēng)、地球磁場(chǎng)和大氣層共同的杰作。太陽(yáng)風(fēng)中高能帶電粒子的能量、數(shù)量和大氣層中不同高度處不同原子、分子的特性直接決定著極光的顏色和強(qiáng)度。入射離子的能量高低決定了粒子能夠沖入大氣的深度。在不同的高度碰到不同種類的氣體分子便會(huì)產(chǎn)生不同的顏色。

通常來(lái)說(shuō)，在200千米以上的高空，帶電粒子撞到氧原子時(shí)，氧原子會(huì)受激發(fā)出紅光。而在100~200千米高空，氧原子則會(huì)受激發(fā)出黃綠色光，這也是我們最常會(huì)在極光照片上看到的顏色。另外，電離狀態(tài)下的氮會(huì)發(fā)出藍(lán)光，中性的氮分子受到撞擊時(shí)發(fā)出的則是紫紅色光。

打一個(gè)形象的比方，極光活動(dòng)可以說(shuō)就像磁層活動(dòng)的實(shí)況電視畫面一樣。下落的高能粒子為電視機(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)。三者共同作用，在這個(gè)天然“大電視”中為我們上演變幻莫測(cè)、絢麗奪目的極光盛筵。

正因如此，極光有帷幕狀、弧狀、帶狀以及射線狀等多種形狀。其中發(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)其他形狀的極光通常總是呈現(xiàn)出快速的變化，并最終朝地極方向消失褪去。

美國(guó)緬因州上空多彩的極光。（圖片來(lái)源：APOD）

加拿大北部的壯觀極光與地面帳篷屋內(nèi)灑出的溫暖光線共同構(gòu)成了這幅色彩飽滿的美圖。（圖片來(lái)源：APOD）

Q 何時(shí)何地能看到極光？

A地球磁場(chǎng)會(huì)引導(dǎo)絕大部分太陽(yáng)風(fēng)中的高能粒子“繞道而行”，但有少數(shù)會(huì)隨著磁力線落到地球的兩極“漏斗”區(qū)域，因此極光往往出現(xiàn)在靠近地磁極附近的高緯地區(qū)——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。然而在太陽(yáng)活動(dòng)盛期，極光有時(shí)也會(huì)延伸到中緯度地帶。太陽(yáng)每11年左右有一個(gè)非常活動(dòng)期，會(huì)拋出大量高能粒子進(jìn)入宇宙空間，此時(shí)出現(xiàn)的極光最為瑰麗壯觀。

由于地平線上的城市燈光和高層建筑都會(huì)遮擋我們的視線，所以極光的最佳觀測(cè)地點(diǎn)是在高緯度地區(qū)鄉(xiāng)間的空曠地帶。在中國(guó)，北極村就是一個(gè)能讓你有機(jī)會(huì)一睹極光風(fēng)采的地方。北極村位于中國(guó)黑龍江省漠河縣，是中國(guó)最北的城鎮(zhèn)、距離北極最近的地方之一。北極光雖然一年四季都有可能出現(xiàn)，但最佳觀測(cè)時(shí)間是在每年冬季的夜晚。因?yàn)榇藭r(shí)漠河常會(huì)出現(xiàn)萬(wàn)里晴空的天氣，而且北極正處在極夜之中，能看到極光的概率也就大大增加。雖然極光白天也會(huì)出現(xiàn)，但因白天陽(yáng)光亮度大，極光亮度小，不易看到。

漠河極光（圖片來(lái)源：http://travel.fengniao.com/301/3016950.html）

超鏈接：極夜與極晝

極夜是指發(fā)生在地球的兩極地區(qū)，一日之內(nèi)太陽(yáng)都在地平線以下的現(xiàn)象。相反，極晝是指一日之內(nèi)太陽(yáng)都在地平線以上的現(xiàn)象。北極和南極都有極晝和極夜，一年內(nèi)大致連續(xù)六個(gè)月是極晝，六個(gè)月是極夜。

極光的低調(diào)“伙伴”

相比絢麗無(wú)比的極光，還有一種鮮為人知的大氣發(fā)光現(xiàn)象——?dú)廨x。氣輝之所以如此低調(diào)，是因?yàn)橛^測(cè)氣輝的最佳地點(diǎn)是在國(guó)際空間站，從太空來(lái)看，地球表面常常會(huì)有一個(gè)黃綠色的光圈。這個(gè)神秘的光圈，便是氣輝。

氣輝與極光類似，都是由于高層大氣電離產(chǎn)生。它是發(fā)生在大氣層高處的光化學(xué)反應(yīng)，由多種原子、分子和離子受太陽(yáng)紫外輻射激發(fā)后釋放出來(lái)的光線形成。可見(jiàn)的氣輝多數(shù)來(lái)自氧原子和分子，它們發(fā)出的是綠光，就像通常在極光中看到的一樣。盡管在大氣層各層中都有這些元素，不過(guò)明顯可見(jiàn)的發(fā)光層主要分布在85~90千米的高度，通常是一個(gè)6~10千米厚的光圈。這是因?yàn)椋幱谶@個(gè)高度之下的原子和分子更密集，碰撞更多，會(huì)快速地釋放出它們的能量。此外，還有很多其他因素（比如氣溫）也會(huì)在氣輝現(xiàn)象中起作用。不同時(shí)間段也是影響因素之一，比如夜晚的氣輝就和白天的不一樣。由于氣輝的存在，即使刨除了星光和散射太陽(yáng)光的影響之后，地球的夜晚也不會(huì)是全黑的。

氣輝與極光雖然都是由高層大氣電離形成，但它們的具體形成機(jī)制有所區(qū)別，并且在與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系和可觀測(cè)的地理緯度上也存在明顯的差異。極光的出現(xiàn)與太陽(yáng)活動(dòng)相關(guān)，而氣輝與太陽(yáng)活動(dòng)關(guān)系不大，且呈現(xiàn)出周期性和季節(jié)性的變化；只要條件合適，氣輝可以在地球上空任意一塊大氣層中出現(xiàn)，而極光則較多地出現(xiàn)在地磁極附近的地區(qū)。此外，氣輝的發(fā)光度也要比極光微弱得多。

國(guó)際空間站拍攝到的氣輝現(xiàn)象（圖片來(lái)源：APOD）

拉斯坎帕納斯天文臺(tái)夜晚上空的氣輝與銀河。（圖片來(lái)源：APOD）