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当极光出现,居住於南北极圈的人会看见夜空有不断变化的美丽光芒.很多人以为极光的形成与地球以外的太空无关,其实极光的成因与太阳黑子有很大的关系.在我们介绍极光的成因之前,不如让我们先对太阳作一点较深入的了解.大家都知道,太阳是一个十分热的火球.它的表面温度大约是六千度.每时每刻,太阳表面都会将大量粒子往外太空射出去.这就是天文学家经常提到的太阳风.
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,成为了大气更高层 (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 *** 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( *** )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
“极光”这一术语来源于拉丁文伊欧斯一词。传说伊欧斯是希腊神话中“黎明”的化身，是希腊神泰坦的女儿，是太阳神和月亮女神的妹妹。
当人类之一次仰望天际惊见北极光的那一刻开始，北极光就一直是个“谜”。长久以来，人们都各自发展出自己的极光传说，爱斯基摩人认为“极光，是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬”。原住民则视“极光为神灵现身，深信快速移动的极光会发出神灵在空中踏步的声音，将取走人的灵魂，留下厄运”。
长期以来，极光的成因一直众说纷纭。有人认为：它是地球外缘燃烧的大火；有人则认为，它是夕阳西沉后，天际映射出来的光芒；还有人认为，它是极圈的冰雪在白天吸收储存阳光之后，夜晚释放出来的一种能量。这天象之谜，直到人类将卫星火箭送上太空之后，才有了物理性、合理的解释。
长久以来极光的神秘一直是人们汲汲想要了解与探索的，在上世纪，人们利用照相机，摄影机及卫星，才能清楚的看到及了解到太阳能流与地球磁场碰撞产生的放电现象，它是一束束电子光河，在离地球60英里的天空，释放出一百万兆瓦的光芒，但在无科学的时代，人们只有发挥无穷的想像力，来叙述这奇妙的大自然景色，因而有了许多故老相传的神秘传说。北极光名称的由来，是科学家卡森迪在反覆考虑下，把这种现象称为“欧若”(Aurora)，她是古罗马神话里的织架女神，代表旭日东升前的黎明。科学家柏克莱认为，太阳发出的电子在太空中自由飞扬，当它们闯进地球磁场，电子与气体碰撞时会发出光芒，就是北极光，他的理论直到60年后才得到证实。美国采索14号火箭升空，科学家才首次证明地球有2个磁场，一年后港湾2号首次测量太阳的等离子（构成太阳气流的带电物质），太阳气流可触及地球。太阳气流亦称太阳风，这些放射物以300 万km的速度冲向地球，幸而地球磁场改变太阳风的方向，使我们免受太阳风的袭击，当太阳风与地磁场碰撞会产生100万兆的能源，地球大气层的小粒子会释出能源，氧原子放出绿光或红光，氧分子放出红光或黄光，氮分子放出紫光或粉红光。虽然目前科学家已大至了解极光的成因，但极光仍留下许多难解的问题让人们继续探索它的奥秘，如极光出现是否有声音？加拿大国内北极圈内的土著们说，北极光会发出口哨声和脚步声，那是灵魂在天堂踏雪散步的声音，还有太阳风撞击地球磁场释出的能量究竟有多大？等等，这都是科学家所急於想解开之谜，极光就像它本身一样，如烟如雾，让我们不禁叹大自然造物主的神妙。
本质上来说，极光是原子与分子在地球大气层最上层(距离地面100-200公里处的高空)运作激发的光学现象。它的形成有三大要素：太阳、风、地球磁场、大气。所谓“太阳风”，是太阳对宇宙不断放射的一种能量，它是由电子与质子所组成。由于太阳的激烈活动，放射出无数的带电微粒，当带电微粒流射向地球进入地球磁场的作用范围时，受地球磁场的影响，便沿着地球磁力线高速进入到南北磁极附近的高层大气中，与氧原子、氮分子等质点碰撞，因而产生了“电磁风暴”和“可见光”的现象，就成了众所瞩目的“极光”。
极光出现的机率
极光最常出没在南北磁纬度67°附近的两个环状带区域内，分别称作南极光区和北极光区。北半球以阿拉斯加、北加拿大、西伯利亚、格陵兰冰岛南端与挪威北海岸为主；而南半球则集中在南极洲附近。值得一提的是：北极附近的阿拉斯加、北加拿大是观赏极光的更佳地点，阿拉斯加的费尔班(Fairbanks)更赢得“北极光首都”的美称，以其寒冷的冬季与夏季的长时间光照而闻名，一年之中有超过200天的极光现象，人们去那里是为欣赏它那壮观景象并目睹每晚都会出现的极光奇观。如果你有机会到阿拉斯加，一定要看看那迷人的北极光，捕捉那千变万化的超级“电光秀”，您也将彻底地爱上北极光！
极光瞬间变动的型态
极光是一种大自然天文奇观，他没有固定的型态、颜色也不尽相同，颜色以绿、白、黄、蓝居多，偶尔也会呈现艳丽的洪紫色，曼妙多姿又神秘难测。极光的发生只有在严寒的秋冬夜晚，高纬度的地区，才有机会目睹，而更佳时刻则是晚上10点到凌晨2点，有些时候可持续1小时左右。
一般来说，极光的型态可分为弧状极光、带状极光、幕状极光、放射状极光等四种。在北部出现的称为北极光，在南部出现的则称为南极光。
关于极光拍摄
观看北极光，如同看到了上帝的眼睛，我是这么觉得的。在南方它被称为南极光，在北方称为北极光。简.柯蒂斯是一名科学家兼摄影师，他不仅要看上帝的眼睛，还要拍一些照片。拍摄北极光是一种独特的挑战。因为北极光盛行时是冬天，天气非常寒冷，温度会在零下40或50度。照相机放在外面的时间不能超过几分钟，因为它会被冻住。简不畏寒冷是为了拍出出色的照片。因为胶片不会像人眼那样敏感，使用的是特殊的时间间隔技术。当有些人看到简拍的照片时，他们不相信那是真的。目睹北极光是一种奇特的经历，让人心生敬畏，因为你不能解释它们是什么以及它们为什么会出现在那里。
在古代，人们认为神话中的神带有这种光，但实际上这些神秘的光同源于赋予地球生命的伟大力量。太阳是地球上万物的能量之源，包括所有生命，所有天气及活动。太阳表面的爆炸与太阳风暴将带电粒子吹向地球，也就是太阳风。当它们进入地球磁场后，能量在地球圈附近转化为可见光。
地球有从北极到南极的磁力线，在地球上空呈拱形存在。正是那些磁力线对太阳风暴的作用产生了极光。地球的极北端和极南端磁力最强。虽然科学家已经知道极光的起因，但它对地球有何影响仍然是个疑问。尽管红外照相机能拍出这样的太阳风暴，但极光仍然是个谜。
自然界中很少有如此独特、如此神秘的东西，它与人们平常遇到的东西都不一样
中文名称：极光
英文名称：aurora
或Polar
light或Northern
light
定义1：由于太阳粒子流轰击高层大气气体使其激发或电离的彩色发光现象,
常在高纬地区高空出现。
定义2：行星高磁纬地区大气中产生的彩色发光现象。外来的高能带电粒子流沿行星固有磁场进入两磁极与高层大气的气体分子和原子碰撞，形成极光。
极光出现于星球的高磁纬地区上空，是一种绚丽多彩的发光现象。而地球的极光，由来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。极光产生的条件有三个：大气、磁场、太阳风。这三者缺一不可。极光不只在地球上出现，太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。
经物理学家的试验和研究，证明了极光是由于高空稀薄大气层中带电微粒所起的作用。在80－1200千米的高空大气层中，空气是非常稀薄的，极光就在那里发生。
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。
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 *** 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。
【极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞并激发，产生光芒，形成极光。
极光不只在地球上出现，太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。
在北半球观察到的极光称北极光，南半球观察到的极光称南极光。也有科学家发现火星、木星上的极光。
极光按形态可分为：
匀光弧极光
射线式光柱极光
射线式光弧光带极光
帘幕状极光
极光冕
按观测的电磁波波段分为：
光学极光
无线电极光
按激发粒子类型可分为：
电子极光
质子极光
按发生区域可分为：
极光带极光
极盖极光
中纬极光红弧
