極光

根據(jù)關(guān)于極光分布情況的研究，極光區(qū)的形狀不是以地磁極為中心的圓環(huán)狀，而是卵形。極光的光譜線范圍約為3100～6700埃，其中最重要的譜線是5577埃的氧原子綠線，稱為極光綠線。

大多數(shù)極光出現(xiàn)在地球上空90---130千米處。1959年，一次北極光所測(cè)得的高度是160千米，寬度超過(guò)4800千米。但有些極光要高得多，高度可達(dá)560---1000千米以上。

由于地磁場(chǎng)的作用，

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 這些高能粒子轉(zhuǎn)向極區(qū)，所以極光常見(jiàn)于高磁緯地區(qū)。在大約離磁極25°～30°的范圍內(nèi)常出現(xiàn)極光，這個(gè)區(qū)域稱為極光區(qū)。在地磁緯度45°～60°之間的區(qū)域稱為弱極光區(qū)，地磁緯度低于45°的區(qū)域稱為微極光區(qū)。

按照極光的形態(tài)分類，可分為勻光弧極光、射線式光柱極光、射線式光弧光帶極光、簾幕狀極光、極光冕等。

按照極光觀測(cè)的電磁波波段，可分為光學(xué)極光、無(wú)線電極光等。

按激光激發(fā)粒子類型，可分為電子極光、質(zhì)子極光等。

按照極光發(fā)生區(qū)域，可分為極蓋極光、極光帶極光 、中緯極光紅弧等

極光出現(xiàn)于星球的高磁緯地區(qū)上空，是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。而地球的極光，來(lái)自地球磁層和太陽(yáng)的高能帶電粒子流（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。極光產(chǎn)生的條件有三個(gè)：大氣、磁場(chǎng)、高能帶電粒子。這三者缺一不可。極光不只在地球上出現(xiàn)，太陽(yáng)系內(nèi)的其他一些具有磁場(chǎng)的行星上也有極光。[1] 

極光一般只在南北兩極的高緯度地區(qū)出現(xiàn)，但是2010年8月1日的太陽(yáng)風(fēng)暴恰好面向地球爆發(fā)，攜帶大量帶電粒子的太陽(yáng)風(fēng)準(zhǔn)確無(wú)誤地“擊中”地球，與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生“磁暴”，使美國(guó)密西密歇根州、丹麥和英國(guó)等緯度稍低的地區(qū)都能夠看到美麗的北極光景觀。專家稱，這一次的太陽(yáng)風(fēng)暴并沒(méi)有像事先推測(cè)的那樣破壞全球的衛(wèi)星和電信系統(tǒng)，卻給地球帶來(lái)一場(chǎng)壯麗的“焰火盛會(huì)”。[2] 

許多世紀(jì)以來(lái)，這一直是人們猜測(cè)和

極光(5張)

 探索的天象之謎。從前，愛(ài)斯基摩人以為那是鬼神引導(dǎo)死者靈魂上天堂的火炬。13世紀(jì)時(shí)，人們則認(rèn)為那是格陵蘭冰原反射的光。到了17世紀(jì)，人們才稱它為北極光——北極曙光（在南極所見(jiàn)到的同樣的光稱為南極光）。

隨著科技的進(jìn)步，極光的奧秘也越來(lái)越為我們所知——原來(lái)，這美麗的景色是太陽(yáng)與大氣層合作表演出來(lái)的作品。在太陽(yáng)創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中，有一種能量被稱為“太陽(yáng)風(fēng)”。太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)噴射出的帶電粒子，是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流，因而屬于等離子態(tài)。太陽(yáng)風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng)，以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場(chǎng)。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。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。

在過(guò)去，有些理論被用來(lái)解釋這種現(xiàn)象，但都已經(jīng)過(guò)時(shí)了：

1.本杰明·佛蘭克林（Benjamin Franklin）的理論：神奇的北極光是濃稠的帶電粒子和極區(qū)強(qiáng)烈的雪和其他的濕氣作用造成的；

2.極光的電子來(lái)自太陽(yáng)發(fā)射的光束。這是克利斯蒂安柏克蘭在1900年提出的說(shuō)法，她在實(shí)驗(yàn)室用真空室和磁化的地球模型，顯示電子是如何被引導(dǎo)至極區(qū)。這個(gè)模型的問(wèn)題包括本身缺乏在極區(qū)的極光、負(fù)電荷本身自行散射這些光束、而且仍然缺乏任何太空中的觀測(cè)證據(jù)；

3.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；

4. 極光是太陽(yáng)風(fēng)中的粒子被地球的場(chǎng)線引導(dǎo)至大氣層頂端造成的。這適用于極光的尖點(diǎn)，但在尖點(diǎn)之外，太陽(yáng)風(fēng)沒(méi)有直接的作用。另一方面，太陽(yáng)風(fēng)的能量主要都留駐在帶正電的離子，電子只有0.5eV，而在尖點(diǎn)上會(huì)上升至50～100eV，這仍然遠(yuǎn)低于極光的能量。

1890年，挪威物理學(xué)家柏克蘭認(rèn)為，離地球1.5億千米的 太陽(yáng)幾乎連續(xù)不斷地向地球放射物質(zhì)點(diǎn)。而離地球5萬(wàn)千米至6.5萬(wàn)千米以外有一層磁場(chǎng)將地球罩住。當(dāng)太陽(yáng)的質(zhì)點(diǎn)直射這層磁場(chǎng)而被擋住時(shí)，它便向地球四周擴(kuò)散，尋找鉆入的空隙，結(jié)果約有1%的質(zhì)點(diǎn)鉆入北磁極附近的大氣層。每顆太陽(yáng)質(zhì)點(diǎn)含有等于1000伏特的電力。它們?cè)?00千米外的高空大氣層中與原子和多半由氧和氮構(gòu)成的分子相遇，原子吸收了太陽(yáng)質(zhì)點(diǎn)所含的一部分能量時(shí)，立即又將這能量釋放出來(lái)而產(chǎn)生極強(qiáng)的光，氧發(fā)出綠色和紅色的光，氮?jiǎng)t發(fā)出紫、藍(lán)和一些深紅色的光。這些繽紛的色彩組成了綺麗壯觀的極光景象。

許多科學(xué)家正在對(duì)極光作深入的研究。人們看到的極光， 主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且，極光的顏色和強(qiáng)度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量。用一個(gè)形象比喻，可以說(shuō)極光活動(dòng)就像磁層活動(dòng)的實(shí)況電視畫(huà)面。沉降粒子為電視機(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)�？茖W(xué)家從這個(gè)天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動(dòng)的大量信息。例如，通過(guò)極光譜分析可以了解沉降粒子束來(lái)源，粒子種類，能量大小，地球磁尾的結(jié)構(gòu)，地球磁場(chǎng)與行星磁場(chǎng)的相互作用，以及太陽(yáng)擾亂對(duì)地球的影響方式與程度等。

極光雖然美麗，但是在地球大氣層中投下的能量，可以與全世界各國(guó)發(fā)電廠所產(chǎn)生電容量的總和相比。這種能量常常攪亂無(wú)線電和雷達(dá)的信號(hào)。極光所產(chǎn)生的強(qiáng)力電流，也可以集結(jié)在長(zhǎng)途電話線或影響微波的傳播，使電路中的電流局部或完全“損失”，甚至使電力傳輸線受到嚴(yán)重干擾，從而使某些地區(qū)暫時(shí)失去電力供應(yīng)。怎樣利用極光所產(chǎn)生的能量為人類造福，是當(dāng)今科學(xué)界的一項(xiàng)重要使命。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局“瑟宓斯衛(wèi)星任務(wù)”（2007/12）（Themis mission）傳回的新數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球，碰到北極上空磁場(chǎng)時(shí)又形成若干扭曲的磁場(chǎng)，帶電粒子的能量在瞬間釋放，以燦爛眩目的北極光形式呈現(xiàn)，而地球的極光主要只有紅、綠二色是因?yàn)樵跓岢蓪拥?a target="_blank" >氮?dú)?/a>和氧原子被電子碰撞，分別發(fā)出紅色和綠色光。瑟密斯衛(wèi)星任務(wù)的5個(gè)人造衛(wèi)星群于2007年2月成功發(fā)射升空，3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測(cè)到北極光出現(xiàn)兩小時(shí)，同一時(shí)間衛(wèi)星也偵測(cè)到帶電粒子流接觸到北極磁場(chǎng)。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是，帶電粒子和磁場(chǎng)接觸形成的地磁風(fēng)暴以每分鐘650公里的速度掠過(guò)空中，威力相當(dāng)于芮氏規(guī)模5.5級(jí)的地震。

科學(xué)家早就懷疑，北極光的能源來(lái)自帶電粒子與北極磁場(chǎng)接觸產(chǎn)生的扭曲磁場(chǎng)，但這個(gè)理論一直到2010年5月才獲得證實(shí)。當(dāng)時(shí)瑟密斯任務(wù)的衛(wèi)星群從地球上空6萬(wàn)多公里首度測(cè)到扭曲磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。

極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過(guò)程。來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子到達(dá)地球附近，地球磁場(chǎng)迫使其中一部分沿著磁場(chǎng)線（Field line）集中到南北兩極。當(dāng)他們進(jìn)入極地的高層大氣時(shí)，與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)，產(chǎn)生光芒，形成極光。經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北緯度67度附近的兩個(gè)環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)，阿拉斯加的費(fèi)爾班（Fairbanks）一年之中有超過(guò)200天的極光現(xiàn)象，因此被稱為“北極光首都”。所以極光只能在地球的南北極被看見(jiàn)。

地球磁層磁力線攜帶太陽(yáng)風(fēng)的能量進(jìn)入地球內(nèi)部，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了地磁場(chǎng)的形成。在這磁層磁 力線閉合環(huán)路上除了有地球內(nèi)部的導(dǎo)電體之外，另外還有大氣層的電離層-這一弱導(dǎo)電體。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)烈時(shí)，磁力線能量遇到地球內(nèi)部的磁感抗，有許多能量消耗不掉，于是就在電離層處形成了極光。