3 神奇的极光

极光的形成

    绚丽多彩的极光使每一个见过的人都无法不被它所吸引。那么，极光究竟是怎样形成的呢？极光的发生与地球大气、地球磁场以及太阳的活动密切相关。

　　虽然我们没有明显地感觉到，但谁也无法否认地球大气对我们人类生存的重要性。地球大气由包围着地球的几层气体所组成，最外面的一层被称为电离层。电离层对极光的形成起着重要的作用。

　　除了电离层，另一个影响极光的形成的地球因素就是地球磁场。地球的核心是由金属组成的，它像一个被粘贴在地球中心的巨大磁铁一样发生作用，环绕地球形成了一个被称作“磁气圈”的巨大磁场。相信你曾拥有过一块磁铁，这样就不难理解“磁气圈”是怎样影响着它周围的物体了。地球的“磁气圈”向太空深处延伸很远，如右图所示，地球磁场就像一个长条状磁铁的磁场一样。由于我们实际看不到“磁气圈”，所以采用画线的方法来代表它，这种线称作“磁力线”。我们注意到，磁力线都是从地球的一端进而从另一端出，这两端就是地球的“磁极”。地球磁场的强度并不是均匀分布的，在磁力线密集的地方强度大，磁力线稀疏的地方强度相对较小。那么，你能从图中分辨出哪些地方地球磁场的强度大，哪些地方小吗？

    让我们再来关注一下太阳系的“君主”——太阳。太阳一直处于活动状态之中，不断有高能量的粒子从太阳喷发出来，以极大的速度向外移动，形成一股粒子流，我们称之为“太阳风”。在太阳风的吹动下，地球磁场变成"流线型"，就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的、形似彗尾的地球磁尾，磁尾的长度至少有1000个地球半径长。如左图所示，是艺术家所描绘的地球磁场在太阳风里的形状。

 　　由于与日地空间行星际磁场的偶合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具有"冻结"磁力线的特性，所以，太阳粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时(如耀斑爆发)，产生大量的高能粒子，这些带电粒子沿磁力线运动，从极区向地球注入，穿越了电离层，在这里与气体原子和分子相撞击，释放出大量的能量。不同的分子、原子发生不同颜色的光，这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。
    极光的形成与太阳活动密切相关，在太阳活动活跃的年份，欣赏到美丽的极光就是一件相对容易的事了。

罕见的极光奇观

 　　极光的形成与太阳活动息息相关。今年适逢周期为11年左右的太阳活动极大年，因此可以看到比往年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也有幸看到了极光。2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现了极光景象。地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。

　　更令人惊奇的是，在美丽红色的光幕上，木星、土星、火星和月亮相聚，形成了“三星伴月”的奇景。

 　　虽然这是一件难得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在许多地区还造成了恐慌。据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说，当夜德国莱茵地区以北的警察局和天文观象台的电话不断，有的人甚至怀疑又 发生毒气泄漏事件。

   这次极光现象被远在160公里高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现，并发出了预告。在北京时间4月7日凌晨零时三十分，宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠过，而且该太阳风突然加速，速度从每秒375公里提高到每秒600公里，一小时后，这股太阳风到达地球大气层外缘，为我们显示了难得一见的造化神工

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谁持彩练当空舞

艾洋

极地上空出现梦幻般的光芒

　　遥望夜空的极光，其形状象缓慢移动并且摇着的布幔，但近看这个布幔的构造时，可发现这其实是由东向西伸长的大量弧形光集合而成，波浪般的向西移动后再顺着地球磁极方向绕回来，最后光线聚集成混沌状态。

　　由布幔般的光帘和线条的正下方观看极光，则可看到“日冕型极光”。如果极光足够明亮，可以看到由空中四散的多彩光卷成巨大旋涡的形状，至于产生旋涡状的原因尚待研究。

　　淡色的极光看起来是白色，逐渐明亮后才出现色彩，而淡绿色可以说是极光的特征，亮度增加时，下半部呈现明亮的绿色，上半部则可以看到淡红色。在极光最明亮、最活跃时，在绿色极光下方出现深红色宛如界线般地两种颜色轮廓分明。

　　极光的色彩变化速度非常快，而能形成明显色差的原因是极光是地球大气中多种原子和分子辐射出来的不连续波长的光，而非阳光似的连续波长的光。

千变万化的极光帘幕

　　看到极光的人都会被色彩鲜艳、时时刻刻变化多端的极光帘幕所吸引，通常极光是出现于离地面100～200公里的高空，这个区域属于高层大气领域。也可以说，极光是发生在太空空间与地球界面处最具魅力的物理现象。

　　太阳不断释放出大量电子和质子，我们称之为“太阳风”。极光就是太阳风对地球磁场及大气产生交互作用出现的现象。

　　太阳风通过太空空间到达地球，使地球磁场形成圆锥状的“地球磁力圈”，地球磁力圈拥有数千公里到数十万公里的广阔领域，可储存来自太阳风的能量。地球磁力圈的夜侧部分(背向太阳的一侧)象彗星一样拖着长长的尾巴，被称为“磁力圈尾”。位于磁力圈尾的电子会接受这种能量的一部分，并改变方向射入地球。

　　极光会依射入地球的电子数目以及太阳风而发生变化，并使电子运送的能量大幅增加，由此引起“极光风暴”现象，而在此现象出现之时正是观测极光的最佳机会。太阳活动是以11年为1个周期反复出现极大期和极小期，极光风暴较多发生于太阳活动很活跃的极大期中。太阳活动活跃的时期，小规模的极光风暴是数星期出现1次，大规模者则数个月出现1次。目前的太阳活动正处于上升至极大期中，推测于2000年可达最活跃的状态。

　　射入地球的电子是顺着磁场被导引到两极，并与地球高层大气中的稀薄气体碰撞，大气中的气体分子或原子由此取得电子的部分能量因而产生分子分裂，或者形成不稳定而高能量的“激发态”。处于激发态的分子或原子会分别释放出特定颜色的光线之后回复到稳定状态，此时发出的光就是极光。其实这个机制是与电视机或电脑中的阴极射线管是同一原理，阴极射线管是将电子射进荧光物质中，改变其能量状态而使其放出光芒。

　　极光是由电子、质子或更大粒子相互碰撞后才会产生，但通常来自电子的机会较多。电子在离地面大约100公里高处就丧失大部分能量，因此在低于高度100公里处很少看到极光的踪迹。传闻极光曾在高度90公里的云层甚至高山地区出现，但那应该只是一种视觉上的错觉。

地球大气的组成使极光显现不同的色彩

　　亮绿、淡红色的极光，相互间具有明确界线，我们只有通过了解大气的组成，才可以了解到极光的颜色。

　　接近地表的大气中，大部分是氮分子(N₂)和氧分子(O₂)。但是在100公里以上高空，除了分子键结力较强的氮分子能保持分子状态之外，氧分子则被来自太阳的紫外线分解成氧原子(O)。因此，100公里以外高层大气是以氮分子和氧原子为主要成分，不过100公里上下的高空是氮分子含量较高，接近200公里的高空则氧原子含量较高。

　　电子撞上氧原子之后，氧原子即处于一种不稳定的激发态，并辐射出各种颜色的光，其中最明亮的是红色和绿色。

　　另一方面，氮分子与电子相撞也会出现不稳定的激发态，并辐射出红、蓝、紫等不同颜色的光。成为激发态的氮分子中，部分会与氧原子碰撞发生作用，促使氧原子变成能释放出绿色光的激发态。这个波长为558nm(1nm=10^-9米)的被称为“极光绿线”的绿色光，占了极光中绿色成分的绝大部分。但是由氧原子辐射出630nm波长的红色光，被称为“极光红线”，只发生在较高位置处。这是因为在高度150公里以下，不稳定激发态的氧原子与氮原子相撞之后成为稳定状态。氧与氮之间如此的交互作用现象，会随高度变化而改变其元素的含量比率和状态等，因此造成不同颜色的极光。

　　具有极大能量的极光穿透进100公里以下时，氧原子就结合成氧分子，成为极光帘幕最下端处出现的红色部分，并且出现绿色光“追赶”红色光的场面，这是因为氧原子被激发到辐射出绿色光之间需要大约1秒钟，但氮分子是被激发后立即辐射出红色光的。

　　通常极光只出现于环绕地球磁极卵形区——“极光卵形地区”。极光卵形区的中心点不是磁极，而略偏向地球背面的一侧。活动较弱时，极光卵形区的直径约为3000公里左右。以北半球来讲，极光卵形区的范围包括围绕北磁极(位于加拿大北部)的斯堪的那维亚半岛、西伯利亚北部、阿拉斯加、加拿大中央地区到格陵兰岛南部。

　　极光活动强烈时，极光卵形区的直径可以扩大到约4000—5000公里，其范围则包含了斯堪的那维亚半岛、西伯利亚中部、阿拉斯加到加拿大南部。1989年超大型极光风暴出现时，在日本北海道也看到极光现象，北半球最南端的观测纪绿是1957年的墨西哥市(大约北纬20度。)

　　当然，南半球的极区也能观测到极光。由于南半球的陆地较少，大多是利用船只、飞机或南极大陆上的基地来观测。极光风暴发生时，在澳大利亚东南方的塔斯曼尼亚岛和新西兰南部也能看得到。

　　极光卵形区在接近午夜时会扩大到离磁极最远的地区。此外，极光最明亮时是出现在黄昏以后，因此观测极光的最佳时间是黄昏之后到午夜前，又长又暗的极光风暴大多出现在春分和秋分时期。

　　即使运用最新的照相技术和电视摄影机，仍然无法完全捕促令人惊叹不已的壮丽的极光活动场面。希望直接观赏极光，只能像守株待兔般地等待下一次极光风暴，或是前往可定期性观测到极光的地方，也就是前往或北或南的极地，如斯堪的那维亚等高纬度的地区，以及亚洲靠近北纬70度附近的地方才能看得见。不过，在接近磁极附近就不需要刻意选择纬度太高的地方，因此加拿大中央地区大概是最佳的观测点之一。在本文中有多张照片的拍摄地点为阿拉斯加的费尔班克斯，那里算是最理想的观测地点。

　　观赏极光的另一个要点是要有“黑暗的天空”，而最重要的是远离都市去选择无“光害”环境。因为即使是壮丽无比的大型极光，和都市的灯光相比，仍显得较暗。在山顶上应该有足够的黑暗度可以看见极光，但往返高处是很辛苦的，也许选择远离人烟的广阔平原或湖沼旁会比较妥当。如果可以观测到天河，对观测者而言就是一个环境幽暗、云层较少的观测景点。在高纬度地区，黑暗夜空往往是指冬季。

　　希望前往现场观测极光的人，必须准备充分的保暖衣服，并且不要忘记带手套，准备齐全后就只有祈福有幸观测到美丽极光了。

为什么极光会有不同的颜色

　　记得小时候，在晴朗的夏夜，我牵着妈妈的手，漫步在小城的街道上。   看到前方街灯装点起来的斑斓世界，我好奇地问妈妈，为什么两盏看起来完全一样的街灯会发出不同的光呢？妈妈告诉我说，两盏灯外表一样，但里面却是不一样的。我半懂不懂地仿佛迷失在流光溢彩的大街上。
    你也曾有过这样的困惑吗？现在我知道，街灯里充满了气体，当它们被接上电源时，能量驱使气体分子走来走去并且彼此碰撞，碰撞导致能量被释放出来，我们就能看到光。释放出什么颜色的光取决于里面充满的是什么气体。
    每一种气体释放出它自己颜色的光。这种颜色就像人的指纹，因为没有两种气体会发出相同颜色的光，我们把这种独特的光称作气体的“光谱”。就像看到昏黄色的街灯就知道是纳气，而橙黄色的街灯就是纯的氖气，通常我们看到的五彩的霓虹灯是混合了其它气体的氖气。
    那么，极光为什么会有不同颜色呢？极光的颜色是由地球大气中的气体所决定的。在电离层，发生碰撞的地方，太阳粒子和氧气、氮气原子相碰撞，氧原子发出绿光和红光，氮原子发出蓝光。当然其它的气体也发出光，但用我们的眼睛难以分辨出来。就像五彩的霓虹灯一样，因为地球大气里有多种气体，所以我们能看到五彩斑斓的极光。
    如果地球大气层不是由氧气和氮气所组成，而是充满了氖气，那么极光又会是什么颜色呢？你猜对了，桔黄色。