從剖釋與極光有關(guān)幾個(gè)未解的特性從而揭示極光形成的內(nèi)在機(jī)理的研究

楊益文

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在地球上看到極光是令人敬畏的,但從太空中看到極光卻是一個(gè)傳奇。探索極光的奧秘與學(xué)問,引起人們的極大的關(guān)注。人們對(duì)極光的觀察與探索巳有幾千年的歷史。

有人從地球磁層的角度去研究極光。地球磁層把地球緊緊包住,使地球不受很大的太陽(yáng)風(fēng)輻射粒子的侵襲?？墒沁@張“保護(hù)網(wǎng)”在南北極上空就不如別的地方密實(shí),這里有許多大的“間隙”,一部分太陽(yáng)風(fēng)輻射粒子就乘機(jī)進(jìn)入地球磁層地球磁場(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。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,以上觀點(diǎn)均沒有完滿的解釋極光形成的真實(shí)原因以及極光的幾個(gè)外在的特征:如為什么極光所形成區(qū)域是兩極上空形成一個(gè)橢圓卵型中空光環(huán)(極光區(qū));以及極光出現(xiàn)時(shí)的不規(guī)則,時(shí)有時(shí)無(wú)隨時(shí)變化而難以捉摸的形態(tài);且光幕均為離開地面幾千米至上百千米不等的高空;并經(jīng)常伴隨著一些至今未為人們知曉的怪聲等一系列未解之謎。故,如要揭開極光形成的內(nèi)在機(jī)理揭開極光神秘的面紗,必須要解釋上面所表述的幾個(gè)與極光本為一體不可分割的問題…!透過現(xiàn)象看本質(zhì),從而解讀極光形成的內(nèi)在機(jī)理。從外太空或衛(wèi)星上看地球或太陽(yáng)糸其他有極光的行星,如木星或土星,發(fā)現(xiàn)其極光的位置均在兩極且均為一個(gè)中空的橢圓卵型光圈,我們稱之為極光區(qū)。如根據(jù)以往的理論。兩極如漏斗,帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))順著地球的磁力線進(jìn)入,那么該區(qū)因有著密集的磁力線與密集的帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))光束。那么使兩極大氣層的氣體氧與氮發(fā)生電離產(chǎn)生能級(jí)躍遷放出不同光譜色彩的光子所形成的極光,就應(yīng)如一束均勻桓久永在不變的光柱或光幕,并在兩極應(yīng)是相同鏡像般的出現(xiàn)。但根據(jù)人們?cè)S多年的實(shí)際觀測(cè),兩極所產(chǎn)生的極光是毫無(wú)相同可言,極光的出現(xiàn)時(shí)亦是時(shí)有時(shí)無(wú)沒有任何可以預(yù)測(cè)的規(guī)律,而在高空出現(xiàn)的光幕亦是千奇百變令人無(wú)法捉摸的景象,呈現(xiàn)帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,這些形狀有時(shí)穩(wěn)定有時(shí)作連續(xù)性變化的,而是呈中空橢圓如卵形的光圈。另外,根據(jù)破水桶理論所言陷在輻射帶內(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,根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論,電子的能級(jí)僅為0.5ev,這樣低能級(jí)的電子是不可能使大氣層氣體電離。故,探索極光成因的奧秘必需要從地球基本物理特性去分析。地球的內(nèi)在磁場(chǎng)其磁力線在地球的外部空間形成一張致密的磁網(wǎng),稱之磁層。當(dāng)太陽(yáng)上發(fā)岀的帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))到達(dá)地球上空進(jìn)入磁層時(shí)由于洛侖茲力效應(yīng),使帶電粒子流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),環(huán)繞地球作高速圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)右手定則原理,這高速環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的帶電粒子流感生出一個(gè)與地球磁場(chǎng)極性相反疊加在地磁場(chǎng)之上,兩極性相反又疊加在一起磁場(chǎng)必發(fā)生作用力與力矩。在兩磁場(chǎng)相互作用區(qū)域,兩磁場(chǎng)強(qiáng)度互相抵消湮滅產(chǎn)生“磁重聯(lián)效應(yīng)”或磁力線重聯(lián)。磁重聯(lián)是天體物理中一種非常重要的快速能量釋放過程,也是磁能轉(zhuǎn)化為粒子的動(dòng)能、熱能和輻射能的過程。普遍認(rèn)為太陽(yáng)上的能量釋放就是磁重聯(lián)導(dǎo)致的。磁重聯(lián),取描述磁力線“斷開”(break)再“重新連接”(reconnect)的物理過程的意思。磁重聯(lián)是科學(xué)家迄今知之甚少的神秘領(lǐng)域之一,2016年6月21日,中國(guó)天文學(xué)家首次觀測(cè)到了太陽(yáng)上一個(gè)全新物理現(xiàn)象——磁重聯(lián)可以釋放“磁紐纏”,當(dāng)磁結(jié)構(gòu)的紐纏達(dá)到一定程度時(shí),開始爆發(fā)并釋放出能量。故,由此可見,當(dāng)?shù)厍虻膬蓸O兩個(gè)極性相反兩磁場(chǎng)猛力疊加,兩磁場(chǎng)磁能湮滅,進(jìn)而磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)全新的物理現(xiàn)象-磁重聯(lián)。磁重聯(lián)可以釋放磁紐纏,磁能轉(zhuǎn)化為非常重要的快速能量釋放過程,也是磁能轉(zhuǎn)化為粒子的動(dòng)能、熱能和輻射能的過程。因磁重聯(lián)快速所釋放的磁紐纏爆發(fā)而釋放的動(dòng)能增加了帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))電離大氣層各種氣體的能量,使之成為絢麗多彩各種光譜色彩的帶電的等離子體。由于這些等離子是帶電的,它們的運(yùn)動(dòng)軌跡即為電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)“趨膚效應(yīng)”原理,這些等離子體集中分佈于等離子束的外圍,再者地極兩則必竟不是理想狀態(tài)的導(dǎo)體,以及太陽(yáng)風(fēng)輻射壓的作用,在地球兩極即各形成了一個(gè)中空近乎橢圓卵形的光圈(人稱極光區(qū))。從而可以看出極光的形成與太陽(yáng)高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))、地球磁層以及由此產(chǎn)生的電離層(或作范艾倫輻射帶中高速動(dòng)轉(zhuǎn)電荷而感生的另一個(gè)與地磁場(chǎng)極性相反疊加于地磁場(chǎng)之上的磁場(chǎng)等幾者的相互作用)形成一個(gè)隨變化而變化且由于磁紐纏使地磁場(chǎng)磁力線扭曲成沒有規(guī)律狀態(tài)的等離子爆發(fā)態(tài)。故,在兩極所產(chǎn)生的極光是毫無(wú)相同可言,而是時(shí)有時(shí)無(wú)沒有任何可以預(yù)測(cè)的規(guī)律,而出現(xiàn)的光幕亦是千奇百變令人無(wú)法捉摸的景象,有呈現(xiàn)帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,這些形狀有時(shí)穩(wěn)定有時(shí)作連續(xù)性變化無(wú)常麗多彩變幻莫測(cè)的極光光幕。這里還需要提出的是:因著兩極性相反互相疊加的兩磁場(chǎng)因上述因素的影響,兩磁場(chǎng)磁極相互之間亦作強(qiáng)烈變化,形起其等離子體分子的磁疇不斷重新排列與磁致伸縮,并由此變化的過程發(fā)生“巴克好森效應(yīng)”而發(fā)出“噼啪”“卡嚓”或“噓”作響的聲音。這就是兩極毎當(dāng)出現(xiàn)極光時(shí)經(jīng)常會(huì)伴隨這令人毛骨悚然的怪聲。

通過對(duì)極光所存在的上述幾個(gè)問題的探索及剖釋,就能明了揭開極光形成的內(nèi)在神秘的機(jī)理?，F(xiàn)綜述分析如下:當(dāng)高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))到達(dá)地球上空沖擊地球磁層時(shí),由于洛侖茲力的作用,根據(jù)右手定則這些高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))在地球上空形成范艾倫輻射帶,并環(huán)繞地球高速運(yùn)轉(zhuǎn),這些高速運(yùn)轉(zhuǎn)的帶電粒子流(電荷)感生出一個(gè)與地磁場(chǎng)極性相反的磁場(chǎng)并垂直疊加于地磁場(chǎng)之上。當(dāng)兩極性相反的磁場(chǎng)相互作用時(shí)兩磁場(chǎng)磁能湮滅并產(chǎn)生了一個(gè)全新的物理現(xiàn)象-“磁重聯(lián)”磁重聯(lián)釋放“磁紐纏”,使磁能轉(zhuǎn)化為非常重要的快速能量釋放過程,磁能轉(zhuǎn)化為粒子的動(dòng)能、熱能和輻射能的過程。因磁重聯(lián)快速所釋放的磁紐纏爆發(fā)而釋放的動(dòng)能更增加了高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))電離兩極大氣層各種氣體的能量,使之成為絢麗多彩各種光譜色彩的帶電的等離子體,它們的運(yùn)動(dòng)軌跡遵循電子運(yùn)動(dòng)軌跡,根據(jù)趨膚效應(yīng)原理,這些等離子體集中分佈于等離子束的外圍,再者地極兩則必竟不是理想狀態(tài)的導(dǎo)體,以及太陽(yáng)風(fēng)輻射壓的作用,在地球兩極各形成了一個(gè)偏離磁極中空近乎橢圓卵形的光圈(人稱極光區(qū))。從而可以看出極光的形成與太陽(yáng)高能帶電粒子流(太陽(yáng)風(fēng))、地球磁層以及由此產(chǎn)生的電離層(或作范艾倫輻射帶中高速動(dòng)轉(zhuǎn)電荷而感生的另一個(gè)與地磁場(chǎng)極性相反疊加于地磁場(chǎng)之上的磁場(chǎng)等幾者的相互作用)形成一個(gè)隨變化而變化隨有隨無(wú)且由于磁紐纏使地磁場(chǎng)磁力線扭曲成沒有規(guī)律狀態(tài)的等離子爆發(fā)態(tài)。故,在兩極兩極所產(chǎn)生的極光是毫無(wú)相同可言而是時(shí)有時(shí)無(wú)沒有任何可以預(yù)測(cè)的規(guī)律,而出現(xiàn)的光幕亦是千奇百變令人無(wú)法捉摸的景象,有呈現(xiàn)帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,其形狀有時(shí)穩(wěn)定有時(shí)作連續(xù)性變化,形成無(wú)常的極光光幕。

這里還需要提出的是:因著兩極性相反互相疊加的兩磁場(chǎng)因上述因素的影響,兩磁場(chǎng)磁極相互之間亦作不斷與強(qiáng)烈變化,使其等離子體分子的磁疇亦是不斷變化重新排列,并由此變化的過程就會(huì)發(fā)出“噼啪”“咔嚓”或“噓”作響的聲音,這就是兩極毎當(dāng)出現(xiàn)極光時(shí)總會(huì)伴隨出現(xiàn)令人毛骨悚然怪聲的來(lái)源,即“巴克好森效應(yīng)”。根據(jù)上述對(duì)極光的系列現(xiàn)象的剖釋與解讀從而得出極光形成內(nèi)在的機(jī)理所在。這不僅符合地球極光形成成因的解釋,且可適用太陽(yáng)系凡具備磁場(chǎng),大氣層及太陽(yáng)風(fēng)的其他行星兩極極光形成的基本理論。極光是最奇妙的天象之謎。極光多姿多彩,變化萬(wàn)千,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。在自然界中還沒有哪種現(xiàn)象能與之媲美…!認(rèn)識(shí)極光,它為人們打開一扇通往世界未知知識(shí)的大門,從而認(rèn)識(shí)神秘而浩瀚的宇宙…!