请问,天象中的极光是怎么一回事? 极光是怎么一回事？
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生活在香港的我们,也许没有机会看见极光.但对於居住在极北或极南地域的人们,极光是一场神秘的夜空之舞.闪烁的浅绿色光弦形状在不断地变化,就像轻柔的窗帘,被微风所牵动,婉延在宁静而寒冷的夜空中.极光的光度会改变,当它最明亮的时候,多种颜色相继出现,璀灿悦目.
极光到底是甚麼
很久以前,人们以为极光只是太阳光被天上微小的冰块反射而成的,但当科学家分析极光的光谱时,发现它与太阳的光谱并不相似,由此否定了这个说法.另一方面,极光的光谱却和一些气体在极高电压下放电的光谱有不少相似之处.事实上,极光是地球大气高层的气体分子或原子受来自太阳的高能电子碰撞后发射的.简单来说,分子或原子受电子碰撞后,会被激发至较高的能态,甚至被电离.当离子重新俘获电子,辗转回到基态的时候,便会被发射某些拥有特定波长的光波.
这个模型解释了极光的颜色.来自太阳的紫外线把氧分子分解成原子,成为了大气最高层 (电离层) 的主要成份.当氧原子受电子激发后,便会发出极光那主要的浅绿色光芒.能量较高的电子则可深入大气层较低的地方,激发那里的中性氮分子,发出粉红色或紫红色的光辉.电离的氮分子则发出紫蓝色的光.这些次要的激发丰富了极光的颜色,为这道美丽的卷帘添上了悦目的花边.
极光与太阳活动有关吗
有关.产生极光的高能电子来自太阳.太阳是一个炽热的火球,在太阳的外层大气里,温度可超越一百万度.在这称为日冕的大气层里,原子 (主要是氢) 因为高温电离了,变成了一团充满了自由离子 (主要是质子) 和电子,既高温又非常稀薄的气体.太阳日冕的爆发不断把这些离子和电子抛射出太空,形成所谓太阳风.这些带电粒子带同太阳的磁场,走过了差不多两天的路程才来到地球.电子遇上了地球的磁场后又会被俘虏,最后被牵引至地球南,北极附近,与大气高层的粒子碰撞,形成绚丽的极光.因此,极光的出现与太阳的活动息息相关.太阳的活跃周期为十一年,即每隔十一年,太阳的活跃程度便会到达高峰.在这些太阳暴怒的时候,它的表面可能发生一些称为耀斑的高能爆发,伴随著爆发的是大量在日冕中的带电粒子被抛射出太空.这些极高能的粒子可能带来了比平时大千倍的能量,使极光变得非常灿烂,高度也增加了,甚至在美国也可看到.
图二 地球磁场的结构.
图三 太阳风与地球磁场的作用.
图四 从北极看地球磁顶.注意正负电极和主电流的形成.
太阳风如何与地球磁场作用
要明白太阳风遇到地球磁场后带电粒子的运动并不简单.图二显示了地球磁场与太阳风的磁场相互作用,产生了几个区域.地球磁场被太阳风的磁场塑造成彗星状的区域,两者的磁力线在区域的边沿 (称为磁顶) 交接.当太阳风经过磁顶时 (图三),带电粒子受磁场的磁力影响,质子会偏移至图四的右方,而电子则偏移至左方 (你还记得如何从右手法则决定带电粒子在磁场中的运动方向吗 ) 这些电荷的分离造成了正负两个电极,产生了从正极流向负极的电流.但这电流并非直接流通两电极,而是绕过一条很有趣的路径：电流首先受地球磁场的影响,沿著磁力线回旋至电离层,在电离层形成一个椭圆状的导电通道,称为极光带,最后电流主要从椭圆的另一端离开,流至负极.极光就是在极光带里产生的,这个以北极为中心的环状区域由北纬 伸延至北纬 左右,在南极附近也有一个类似的区域.因此极光只有在极北或极南的地域才可看到,在赤道附近,很难看见.
2.作品欣赏
一,极光的分类
甲,依照出现位置分类
极光如同天使头上的光环般套在地球的南北极.位在北极的称为「北极光」.位在南极的称为「南极光」.北极光与南极光有时可如同镜中的影像一般成对出现.
乙,依照性质分类
极光依其性质可分为连续一片的「扩散极光」,以及不连续的「分立极光」.「扩散极光」如同气辉般,光度暗淡且均匀的分布在中,高纬度的夜空中.「分立极光」则由许多极光弧,如皇冠般戴在高纬区的夜空电离层上.
二,极光的形成原因
扩散极光之形成是由於内磁层中,在地球磁场中沿磁力线来回弹跳的电子,被扰动电场与磁场散射,於是无法继续弹跳而落入电离层中,并与电离层中的氢原子碰撞发出红光.由於这些电子一个一个落下来,好像下毛毛雨一般.因此所产生的极光也像毛毛雨弄湿地面一般,呈现相当均匀的分布.
分立极光之形成是由於电子在电离层上部被一「场向电位差」(此处「场向电位差」是指沿磁场线方向的电位差)所加速《详细过程见注一》,高速的打入电离层,而将电离层中氧原子,分子,以及氮分子打成激发态后,所放出来的光而得的.其过程与霓虹灯管内,藉著两极的电压差将电子加速,然后将管内稀薄气体撞击而发光的原理相似《详细的发光原理与发光过程,见第三节的说明》.
图一为地面上所见的「分立极光弧」如幕帘般挂在高纬区的夜空中.分立极光分布的高度约在地表上方八十公里到两千公里的高空中,其极光弧宽度,窄的不到一公里,宽的可超过十公里.图中构成幕帘的直线光束与地球磁场线一致.这是因为被电场加速往下打击大气粒子的电子能量很高,通常经过一次撞击后,自己本身,以及被撞出来的新生电子,都还有多馀的能量,因此这些电子就会沿著磁场线继续向上与向下撞击其他大气粒子.其中向上跑的电子,因为空气密度低,所以可以沿磁场线跑得很高,使整根磁场线上,都出现游离发光的气体.至於向下打的电子,因为下方大气密度高,於是在很短的距离中就与很多的气体分子相撞,不一会儿就跑不动了.因此极光的结构很向帘幕,上方沿著磁场线一根根染色上光,下方就像帘幕下方的缀饰一般分外宽厚明亮.
图二为太空梭上所拍摄到的分立极光上部粉红色光幕的结构.这种粉红色的极光是由於高层大气中氢原子被高速电子打到激发态而后跳回基态所放出的光.由《注一》中的说明可知这是一张在南极上空拍到的照片.
图三为在磁层副暴发生时人造卫星上所摄得的大尺度极光结构变化情形.在人造卫星上,通常是用紫外光来观测大尺度的极光结构.但由於卫星影像的解析度不够高,因此无法辨识出分立的极光弧等精细结构(小尺度的现象).
图四为人造卫星上所摄得的另一种「ㄖ型极光」的结构及其变化情形.这种「跨极极光弧」结构多发生在行星际磁场有北向分量时.一般相信,这种「跨极极光弧」是由於行星际磁场与地球磁场在极区发生「磁力线重联」所造成的现象.
图五为人造卫星上所摄得的另一种大尺度极光结构.这些「亮点极光」结构的形成与高速太阳风吹过地球磁层,在磁层顶内部之边界层所造成的涡流有关.这些亮点发生地点多位於中午到下午之极区电离层,但有时亦可以在中午前的方位出现.
《注一》分立极光之形成详细过程
产生分立极光的高能电子是哪里来的 怎麼被加速的 为什麼极光会飞舞 这些都是比较复杂深奥的太空物理问题.但是简单的说,这些电子的来源,一部分来自太阳,一部分来自地球大气.它们原来是与带正电的离子一起行动,一直到地球高纬电离层的上空,才开始被加速.
甲,明亮且活跃的分立极光之形成过程
来自太阳的高速电浆流,也就是太阳风,速度分布并不均匀,有时快有时慢.这是因为它们来自太阳表面的不同区域,所以速度不同.通常来自日冕洞区域的太阳风,速度较快.另一方面,太阳风也把太阳的磁场随风带了出来(别忘了组成太阳风的成分都是带电粒子,所以可以「携带」磁场!).由於风速的不均匀,以及其他源自太阳的扰动,使得这些磁场也像海浪般有些波动.这些波动对太阳而言,也许不算什麼大波动,可是对微小的地球而言,这些波动所带来的磁场变化可就相当可观了.於是如果吹到地球的太阳风速突然增加,或是所携带的磁场变成朝南的方向,都可引发地球上的「磁场风暴」.地球上的「磁场风暴」展开后,如果磁尾或磁层顶磁场结构发生突然的改变,使得原来位在该区的高浓度电浆粒子:电子与正离子,沿磁场线一块儿进入极区上空,那麼由於磁场线幅合的效应,会使得这些带电粒子开始绕著强磁场拼命打转儿.由於正离子比较重,回旋半径比较大,因此占据了比较宽广的空间.而质量较轻的电子则仍被磁场抓的紧紧的,集中在原来跟随的磁场线附近.由於正离子与电子两者在空间上的分布变的不一致,因此出现电荷分离现象.於是正离子与电子之间产生了垂直磁场幅合状的电场.这些垂直磁场的电场在接近电离层时,由於电离层是个良导体,不容许沿著导体面出现电位差,於是会在沿磁场线方向产生一个向上的电场.电子就是在此,被此一向上的「场向电位差」所加速,高速的打入电离层.
乙,明亮且活跃的分立极光盘旋飞舞成因
极光为什麼会盘旋飞舞呢 原因之一与上述的「垂直磁场幅合状的电场」有密切的关系.原来中央的电子被加速向下,而两侧的电子则在此幅合电场与地球磁场的双重作用下,分别沿E×B的方向运动,其中符号「×」表示两个向量的外积,也就是将右手手掌自电场E的方向往磁场B的方向扫过去,则右手大拇指所指的方向就是E×B的方向.由於两侧的电场反向,所以两侧的电子流也反向运动,於是逐渐形成涡流.事实上,由於南北极的磁场一个指向天空,一个指向地面,因此由地面向上仰望极光的盘旋方向,会因为磁场的方向不同而相反.北极地区由地面向上仰望所见到的极光若出现盘旋飞舞,一定先是出现反S形状的扰动,然后就变成是逆时针的盘旋运动.如果由太空梭上观赏则方向刚好相反.至於南极的地面观测与太空梭上的观测则又与北极这两种观测所得结果恰好相反.因此各位可以根据这项原则,分辨出原来图二中的极光是太空梭在南极上空拍到的,因为这张照片上的极光呈现反S形状的结构.
三,极光的发光原理与发光光谱
极光的产生与霓虹灯的发光原理非常相似.都是因为高能的电子撞击了稀薄的气体,使该气体暂时成为一种游离的激发态或非游离的激发态.当气体粒子处於一种高能阶的「准稳定态」之激发态时,若气体够稀薄,在该准稳定态的生命期结束前,该气体粒子都尚未与另一个气体粒子相碰撞,则该气体粒子就会自发性的由目前的准稳定态跳到下一个较低能阶的准稳定态或基础稳定态,并放出一定波长的光.因此极光与霓虹灯所放出光之颜色与气体的成分,电子能量的大小,准稳定态生命期的长短,以及气体有多稀薄等因素都有关系.例如图二中的氢所发的红光,相对应的生命期较长,因此在较低空的大气中,空气不够稀薄,碰撞太频繁,往往来不及发光就与另一个粒子发生碰撞.所以此种氢所发出来的红光在地面上不容易看到,但是在太空梭上却看得很清楚.
极光光谱可由紫外线到红外线.在可见光范围的极光的成因,可由打入之电子能量及大气成分(重的沈在下,轻的浮在上)而得.当打入之电子能量不太高时,可将高层氧原子打成激发态氧原子O(1S).此激发态氧原子O(1S)回到基础态氧原子O(3P)便发出白绿色的光(波长5577A),此即最常见的白绿色彩带般的极光.
当一般强度的磁层副暴发生时,打入电离层的电子能量较高,可将较下层氮分子打至不稳定的游离态氮分子离子.当此激发态氮分子离子回到基础态氮分子离子便放出青蓝色的光,波长4278A.因此在一般强度的磁层副暴时,可见北极光如青龙般在极区(约北纬70-80度左右)夜空盘旋飞舞.
当打入的电子能量非常高时(少有之超强磁副暴),电子得以深入低层电离层,将下层之氧分子打成两个激态的氧原子,其中一个O(1D)可放出红光6300A而另一激态的氧原子可为O(1D)或O(1S),故可放出红光或绿光.因此在超强磁副暴时,可能见到血红色的极光或红绿相间的极光.
图一,地面上所见的分立极光弧如幕帘般挂在高纬区的夜空中.图中构成幕帘的直线光束与地球磁力线一致.
图一,地面上所见的分立极光弧如幕帘般挂在高纬区的夜空中.图中构成幕帘的直线光束与地球磁力线一致.
图二,太空梭上所拍摄到的极光上部的结构.
图二,太空梭上所拍摄到的极光上部的结构.
图三,磁层副暴发生时人造卫星上所摄得的大尺度极光结构变化情形.
图三,磁层副暴发生时人造卫星上所摄得的大尺度极光结构变化情形.
图四,人造卫星上所摄得ㄖ型极光 theta aurora ,又称跨极极光弧 transpolar arc .
图四,人造卫星上所摄得ㄖ型极光 (theta aurora) ,又称跨极极光弧 (transpolar arc) .
图五,人造卫星上所摄得亮点极光 bright spots aurora 结构.
图五,人造卫星上所摄得亮点极光 (bright spots aurora) 结构.
吕凌霄
国立中央大学太空科学研究所
太阳是一个庞大而炽热的气体球，在它的内部和表面进行着各种化学元素的核反应，产生了强大的带电微粒流，并从太阳发射出来，用极大的速度射向周围的空间。当这种带电微粒流射入地球外围那稀薄的高空大大气层时，就与稀薄气体的分子猛烈地冲击起来，于是产生了发光现象，这就是极光。
是太阳释放的高能粒子与空气中的稀有气体撞击产生的，就和霓虹灯的原理差不多。
地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。这种壮丽动人的景象就叫做极光。
极光多种多样，五彩缤纷，形状不一，绮丽无比，在自然界中还没有哪种现象能与之媲美。任何彩笔都很难绘出那在严寒的北极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。
极光有时出现时间极短，犹如节日的焰火在空中闪现一下就消失得无影无踪；有时却可以在苍穹之中辉映几个小时；有时像一条彩带，有时像一团火焰，有时像一张五光十色的巨大银幕；有的色彩纷纭，变幻无穷；有的仅呈银白色，犹如棉絮、白云，凝固不变；有的异常光亮、掩去星月的光辉；有的又十分清淡，恍若一束青丝；有的结构单一，状如一弯弧光，呈现淡绿、微红的色调；有的犹如彩绸或缎带抛向天空，上下飞舞、翻动；有的软如纱巾，随风飘动，呈现出紫色、深红的色彩；有时极光出现在地平线上，犹如晨光曙色；有时极光如山茶吐艳，一片火红；有时极光密聚一起，犹如窗帘慢帐；有时它又射出许多光束，宛如孔雀开屏，蝶翼飞舞。
极光是怎么产生的呢？许多世纪以来，这一直是人们猜测和探索的天象之谜。从前，爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。13世纪时，人们则认为那是格陵兰冰原反射的光。到了17世纪，人们才称它为北极光——北极曙光（在南极所见到的同样的光称为南极光）。
随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为"太阳风"。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流。太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个"漏斗"沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。在南极地区形成的叫南极光。在北极地区形成的叫北极光。
1890年，挪威物理学家柏克兰认为，离地球1.5亿千米的太阳几乎连续不断地向地球放射物质点。而离地球5万千米至6.5万千米以外有一层磁场将地球罩住，当太阳的质点直射这层磁场而被挡住时，它便向地球四周扩散，寻找钻入的空隙，结果约有1％的质点钻入北磁极附近的大气层。每颗太阳质点含有等于1000伏特的电力。它们在100千米外的高空大气层中与原子和多半由氧和氮构成的分子相遇，原子吸收了太阳质点所含的一部分能量时，立即又将这能量释放出来而产生极强的光，氧发出绿色和红色的光，氮则发出紫、蓝和一些深红色的光。这些缤纷的色彩组成了绮丽壮观的极光景象。
目前，许多科学家正在对极光作深入的研究。人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。
极光不但美丽，而且在地球大气层中投下的能量，可以与全世界各国发电厂所产生电容量的总和相比。这种能量常常搅乱无线电和雷达的信号。极光所产生的强力电流，也可以集结在长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命
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