極光：地球電離層與磁層之間的“光之紐帶”

若以發(fā)生區(qū)域?qū)O光進(jìn)行分類，可以分成3類：發(fā)生在日側(cè)高緯地區(qū)的極光，來(lái)源粒子主要是經(jīng)由極尖區(qū)進(jìn)入，起源于太陽(yáng)風(fēng)與磁層的相互作用；發(fā)生在夜側(cè)較低緯度地區(qū)的極光，主要是由來(lái)源于等離子體片的粒子激發(fā)；發(fā)生于更低緯度區(qū)域的極光，是由來(lái)源于環(huán)電流的粒子所激發(fā)。

近日，國(guó)外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)風(fēng)與火星電離層的作用導(dǎo)致了火星彌散極光的出現(xiàn)，彌散極光是極光中的一類，在地球上也非常常見(jiàn)。

一般來(lái)講，太陽(yáng)活動(dòng)高峰年的時(shí)候更容易出現(xiàn)極光。同時(shí)，太陽(yáng)黑子數(shù)與地磁活動(dòng)指數(shù)（表征極光活動(dòng)強(qiáng)度的數(shù)值）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表明極光是如何產(chǎn)生的，黑子數(shù)多的時(shí)候，極光的強(qiáng)度也明顯增大。夢(mèng)幻般的極光，可以說(shuō)是地球磁層與電離層之間的“光之紐帶”。

極光是如何產(chǎn)生的

極光是因高能帶電粒子進(jìn)入大氣層時(shí)轟擊大氣層中的分子或者原子產(chǎn)生的。

具體來(lái)講，高能帶電粒子撞擊大氣層原子或分子時(shí)，被原子核束縛的電子在獲得能量后，從穩(wěn)定的基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)，但并不足以脫離原子核的束縛而逃離。當(dāng)這個(gè)處在激發(fā)態(tài)的電子由于其不穩(wěn)定性而回落到基態(tài)時(shí)，會(huì)以光子的形式釋放出能量。能道之間的能量差決定了光波的頻率。當(dāng)光波的頻率落在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，就成為我們看得見(jiàn)的極光了。

粒子從何而來(lái)

這些帶電粒子從何而來(lái)？要知道，地球電離層外的磁層是地球磁場(chǎng)與太陽(yáng)風(fēng)相互作用而形成的，其內(nèi)部存在著分布在不同區(qū)域的不同類型粒子。比如地球附近的等離子體層是比較冷的等離子體聚集地，這些等離子體充斥在電離層外2—5個(gè)地球半徑范圍內(nèi)；等離子體片分布于距離地球4—10個(gè)地球半徑以外的赤道面附近；極尖區(qū)的等離子體則存在于一個(gè)漏斗狀的區(qū)域，是太陽(yáng)風(fēng)粒子進(jìn)入磁層和電離層的通道；另外，還有輻射帶、環(huán)電流等粒子分布區(qū)。

這些區(qū)域內(nèi)的帶電粒子充斥著整個(gè)磁層空間，都是進(jìn)入大氣層的粒子來(lái)源。若以發(fā)生區(qū)域?qū)O光進(jìn)行分類，可以分成3類：發(fā)生在日側(cè)高緯地區(qū)的極光，來(lái)源粒子主要是經(jīng)由極尖區(qū)進(jìn)入，起源于太陽(yáng)風(fēng)與磁層的相互作用；發(fā)生在夜側(cè)較低緯度地區(qū)的極光，主要是由來(lái)源于等離子體片的粒子激發(fā)；發(fā)生于更低緯度區(qū)域的極光，是由來(lái)源于環(huán)電流的粒子所激發(fā)。

除了激發(fā)作用，這些粒子對(duì)地球大氣層也有電離作用。電離指的是電子徹底脫離原子核的束縛而逃離。大氣層發(fā)生電離的原因主要有：太陽(yáng)輻射和從磁層進(jìn)入大氣層的沉降粒子。太陽(yáng)輻射不同波段的光波，具有不同的能量。比如紫外線能電離大氣層中的分子和原子。

除了太陽(yáng)輻射，磁層粒子沉降可以進(jìn)一步引起大氣層的電離。引起極光的粒子，就可以引起高度在100—200公里大氣層的有效電離。

磁層和電離層之間的其他聯(lián)系

當(dāng)然，除了極光這一紐帶之外，磁層和電離層之間還通過(guò)其他形式，比如通過(guò)等離子體對(duì)流、場(chǎng)向電流、電離層粒子逃逸等形式緊密聯(lián)系在一起。

首先是等離子體對(duì)流的關(guān)聯(lián)性。太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)作用后形成磁層，在南向行星際磁場(chǎng)的作用下，日側(cè)磁層頂發(fā)生磁重聯(lián)，磁力線重新連接并且在太陽(yáng)風(fēng)的作用下往夜側(cè)運(yùn)動(dòng)。在夜側(cè)磁尾磁重聯(lián)再次發(fā)生，從而使磁力線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再次變化。閉合的磁力線往地球方向運(yùn)動(dòng)，并回到日側(cè)。在磁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)榈入x子體凍結(jié)在磁力線上，磁層里的等離子體對(duì)流同樣出現(xiàn)在電離層。因此，在高緯地區(qū)等離子體從日側(cè)向夜側(cè)運(yùn)動(dòng)，隨后從低緯返回日側(cè)，形成了兩個(gè)對(duì)流圈。

第二個(gè)聯(lián)系方式是通過(guò)場(chǎng)向電流關(guān)聯(lián)。場(chǎng)向電流從磁層流入電離層，再?gòu)碾婋x層流出來(lái)進(jìn)入磁層，是磁層和電離層的橋梁，傳輸著彼此之間的能量和物質(zhì)。

第三種聯(lián)系方式是通過(guò)電離層粒子逃逸進(jìn)入磁層而關(guān)聯(lián)。前面幾種聯(lián)系方式均為磁層往電離層輸運(yùn)能量，是磁層對(duì)電離層發(fā)生作用。而相反地，電離層對(duì)磁層的影響則是通過(guò)粒子外流。電離層的粒子密度較大，這些粒子往太空逃逸，進(jìn)入磁層，是磁層里面等離子體的主要來(lái)源物質(zhì)。