利用高中物理所學(xué)知識(shí)解釋極光現(xiàn)象

齊文明

1.引言

極光（Aurora），是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象，其發(fā)生是由于太陽(yáng)的高能帶電粒子流（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。在北極被稱(chēng)為北極光，在南極被稱(chēng)為南極光。太陽(yáng)光與地球大氣的相互作用無(wú)時(shí)不刻的發(fā)生著。在日間，日光激發(fā)地球大氣的原子、分子和離子，使它們激發(fā)或電離;到晚上，電子由高能級(jí)回到低能級(jí)，發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。此外，由于太陽(yáng)給地球帶來(lái)的不僅是光線(xiàn)，還有粒子。太陽(yáng)風(fēng)就是一種持續(xù)的粒子流，不但經(jīng)過(guò)地球、其他行星，甚至最終到達(dá)太陽(yáng)系外。不時(shí)發(fā)生的太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象，還會(huì)拋來(lái)高速的粒子，形成壯觀(guān)的極光。地球的極光是太陽(yáng)風(fēng)使高層大氣分子或原子激發(fā)（或電離）而產(chǎn)生。美麗的極光是太陽(yáng)風(fēng)、地球磁場(chǎng)和大氣層共同作用的結(jié)果。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(lèi)的氣體分子便會(huì)產(chǎn)生不同的顏色。極光的顏色有紅、綠、藍(lán)、紫等，絢麗多彩，大家并不一定親眼見(jiàn)過(guò)極光，但在一些影像資料里都被極光的絢麗多彩所吸引。極光大多出現(xiàn)在地球南北兩極附近，這是由于地球磁場(chǎng)的影響。本文擬通過(guò)高中物理所學(xué)的知識(shí)來(lái)解釋極光為什么大多出現(xiàn)地球南北兩極附近。

2.理論解釋

想要解釋極光出現(xiàn)在地球兩極附近的原因，我們首先要來(lái)了解地球的磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)是地球周?chē)臻g分布的磁場(chǎng)，是地球生命的保護(hù)傘。我們可以把地球視為一個(gè)巨大的磁鐵，其中地磁北極大致在地理南極附近，地磁南極則在地理北極附近。這兩極所產(chǎn)生的球體磁場(chǎng)即為地球磁場(chǎng)。磁感線(xiàn)分布特點(diǎn)是赤道附近磁場(chǎng)的方向是水平的，兩極附近則與地表垂直。赤道處磁場(chǎng)最弱，兩極最強(qiáng)[1]，如圖1所示。太陽(yáng)風(fēng)是高能帶電粒子，進(jìn)入地球磁場(chǎng)后，與大氣層中的分子和原子發(fā)生碰撞，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，并發(fā)射出不同波長(zhǎng)的輻射。地球中性大氣的粒子能量較低，而從宇宙空間來(lái)的能量較高的粒子會(huì)對(duì)它進(jìn)行碰撞、激發(fā)。能量較高的粒子往往帶電，帶電粒子在磁場(chǎng)中要受力偏轉(zhuǎn)，所以我們地球周?chē)拇艌?chǎng)對(duì)我們是一個(gè)保護(hù)，把充斥在宇宙空間中、對(duì)我們?nèi)梭w有害的高能量粒子擋在外邊[2]。太陽(yáng)發(fā)射的帶電粒子并不是直線(xiàn)行進(jìn)的，它會(huì)在地球磁場(chǎng)作用下沿曲線(xiàn)軌跡移動(dòng)。由于地球磁場(chǎng)的作用，大多數(shù)帶電粒子會(huì)偏向地球兩極，僅有少數(shù)高速粒子能夠到達(dá)赤道上空的大氣，這就如同是在地球周?chē)钇鹆艘粋€(gè)隱形的保護(hù)罩。為什么大多數(shù)帶電粒子會(huì)偏向地球兩極呢？下面我們就用所學(xué)過(guò)的高中物理知識(shí)來(lái)解釋。

我們?cè)谛抡n標(biāo)高中物理選修3-1第三章磁場(chǎng)中學(xué)到[3]，運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力的作用。運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中所受的洛倫茲力的方向，與運(yùn)動(dòng)方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向都垂直，它的指向可以依照左手定則判定：伸開(kāi)左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi);讓磁感線(xiàn)從掌心進(jìn)入，并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向。如圖2所示。負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力的方向相反。一般情況下，電荷量為q的粒子以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向夾角為θ時(shí)，電荷所受的洛倫茲力為

F=qvBsinθ（1）

沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

從地磁場(chǎng)的示意圖1中我們可以觀(guān)察到，在地球的赤道附近，磁感線(xiàn)的方向大致與地球表面平行，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)入地球赤道上方的大氣層時(shí)，帶電粒子由于受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可以近似認(rèn)為帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)，圓周的軌跡與地球赤道平面平行。太陽(yáng)風(fēng)由于受到了洛倫茲力的作用，這些粒子與大氣層中分子、原子的電離并沒(méi)有穿過(guò)大氣層進(jìn)去到我們的眼睛，所以在赤道附近的區(qū)域并不能看到極光現(xiàn)象。而在地球兩極附近，由于地球的磁感線(xiàn)近似垂直于地球表面，帶電粒子與磁感線(xiàn)的方向近似平行，可以用左手定則判斷，這時(shí)帶電粒子所受的洛倫茲力的大小近似等于零。換句話(huà)說(shuō)，在地球兩極附近，太陽(yáng)風(fēng)與大氣層中粒子電離的粒子更容易穿越大氣層到達(dá)地球表面，所以在地球兩極附近更容易觀(guān)察到極光現(xiàn)象。也就是說(shuō)，激發(fā)極光的高能粒子需要沿著磁感線(xiàn)飛行，其所沿著的磁感線(xiàn)發(fā)源于南北兩極附近的區(qū)域，所以極光更容易出現(xiàn)在南北兩極附近的區(qū)域。這就是為什么在南北兩極附近，我們更容易觀(guān)察到美麗的極光現(xiàn)象。

3.結(jié)論

本文通過(guò)高中物理所學(xué)的知識(shí)-洛倫茲力解釋了極光現(xiàn)象容易出現(xiàn)在地球兩極附近的原因，解釋的方法通俗易懂，思路清晰。極光現(xiàn)象是較為復(fù)雜的物理現(xiàn)象，現(xiàn)代的物理學(xué)家們?nèi)耘f對(duì)其的產(chǎn)生和形成進(jìn)行著深入的研究。本文利用新課標(biāo)高中物理選修3-1中磁場(chǎng)這一章中洛倫茲力的定義解釋了極光出現(xiàn)在地球兩極附近的原因，用較為簡(jiǎn)單的理論清晰的解釋了極光現(xiàn)象的相關(guān)物理原因，為利用高中物理知識(shí)來(lái)解釋天文現(xiàn)象提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]田京祥，礦產(chǎn)資源，山東科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[2]韓金鵬，極光為什么出現(xiàn)在南北兩極附近的圓形區(qū)域，中國(guó)航天報(bào)，2018年6月23日第004版.

[3]張維善，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-5，人民教育出版社，2018.