美麗的極光從何而來
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人們知道極光至少己有2000年了,因此極光一直是許多神話的主題。在中世紀早期,不少人相信,極光是騎馬賓士越過天空的勇士。在北極地區,紐因特人認為,極光是神靈為最近死去的人照亮歸天之路而創造出來的。隨著科技的進步,極光的奧秘也越來越為我們所知,原來,這美麗的景色是太陽與大氣層合作表演出來的作品。




芬蘭北部的極光

產生極光的原因是來自大氣外的高能粒子(電子和質子)撞擊高層大氣中的原子的作用。這種相互作用常發生在地球磁極周圍區域。現在所知,作為太陽風的一部分荷電粒子在到達地球附近時,被地球磁場俘獲,並使其朝向磁極下落。它們與氧和氮的原子碰撞,擊走電子,使之成為激發態的離子,這些離子發射不同波長的輻射,產生出紅、綠或藍等色的極光特徵色彩。在太陽活動盛期,極光有時會延伸到中緯度地帶,例如,在美國,南到北緯40度處還曾見過北極光。極光有發光的帷幕狀、弧狀、帶狀和射線狀等多種形狀。發光均勻的弧狀極光是最穩定的外形,有時能存留幾個小時而看不出明顯變化。然而,大多數其他形狀的極光通常總是呈現出快速的變化。弧狀的和折疊狀的極光的下邊緣輪廓通常都比上端更明顯。極光最後都朝地極方向退去,輝光射線逐漸消失在彌漫的白光天區。造成極光動態變化的機制尚示完全明瞭。

在太陽創造的諸如光和熱等形式的能量中,有一種能量被稱為“太陽風”。這是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流,該太陽風在地球上空環繞地球流動,以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場,磁場使該顆粒流偏向地磁極,從而導致帶電顆粒與地球上層大氣發生化學反應,形成極光。在南極地區形成的叫南極光。在北極地區同樣可看到這一現象,一般稱之為北極光。

大多數極光出現在地球上空90∼130千米處。但有些極光要高得多。1959年,一次北極光所測得的高度是160千米,寬度超過4800千米。在地平線上的城市燈光和高層建築可能會妨礙我們看極光,所以最佳的極光景象要在鄉間空曠地區才能觀察得到。在加拿大的邱吉爾城,一年在有300個夜晚能見到極光;而在佛羅里達州,一年平均只能見到4次左右。我國最北端的漠河,也是觀看極光的好地方。

18世紀中葉,瑞典一家地球物理觀象臺的科學家發現,當該台觀測到極光的時候,地面上的羅盤的指標會出現不規則的方向變化,變化範圍有1度之多。與此同時,倫敦的地磁台也記錄到類似的這種現象。由此他們認為,極光的出現與地磁場的變化有關。原來,極光是太陽風與地球磁場相互作用的結果。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子,當它吹到地球上空時,會受到地球磁場的作用。地球磁場形如漏斗,尖端對著地球的南北兩個磁極,因此太陽發出的帶電粒子沿著地磁場這個“漏斗”沉降,進入地球的兩極地區。兩極的高層大氣,受到太陽風的轟擊後會發出光芒,形成極光。高層大氣是由多種氣體組成的,不同元素的氣體受轟擊後所發出光的前面色不一樣。例如氧被激後發出綠光和紅光,氮被激後發出紫色的光,氬被激後發出藍色的光,因而極光就顯得絢麗多彩,變幻無窮。

科學家已經瞭解到,地球磁場並不是對稱的。在太陽風的吹動下,它已經變成某種“流線型”。就是說朝向太陽一面的磁力線被大大壓縮,相反方向卻拉出一條長長的、形似彗尾的地球磁尾。磁尾的長度至少有1000個地球半徑長。由於與日地空間行星際磁場的偶合作用,變形的地球磁場的兩極外各形成一個狹窄的、磁場強度很弱的極尖區。因為等離子體具“凍結”磁力線特性,所以太陽風粒子不能穿越地球磁場,而只能通過極尖區進入地球磁尾。當太陽活動發生劇烈變化時(如耀斑爆發),常引起地球磁層亞暴。於是這些帶電粒子被加速,並沿磁力線運動從極區向地球注入,這些帶電粒子撞擊高層大氣中的氣體分子和原子,使後者被激發—退激而發光。不同的分子,原子發生不同顏色的光,這些單色光混合在一起,就形成多姿多彩的極光。

事實上,人們看到的極光,主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且,極光的顏色和強度也取決於沉降粒子的能量和數量。用一個形象比喻,可以說極光活動就像磁層活動的實況電視畫面。沉降粒子為電視機的電子束,地球大氣為電視螢幕。地球磁場為電子束導向磁場。科學家從這個天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動的大量資訊。例如,通過極光光譜分析可以瞭解沉降粒子束來源、粒子種類、能量大小、地球磁尾的結構、地球磁場與行星磁場的相互作用,以及太陽擾亂對地球的影響方式與程度等。

極光的形成與太陽活動息息相關。逢到太陽活動極大年,可以看到比平常年更為壯觀的極光景象。在許多以往看不到極光的緯度較低的地區,也能有幸看到極光。2000年4月6日晚,在歐洲和美洲大陸的北部,出現了極光景象。在地球北半球一般看不到極光的地區,甚至在美國南部的佛羅里達州和德國的中部及南部廣大地區也出現了極光。當夜,紅、藍、綠相間的光線佈滿夜空中,場面極為壯觀。雖然這是一件難得一遇的幸事,但在往日平淡的天空突然出現了絢麗的色彩,在許多地區還是造成了恐慌。據德國波鴻天文觀象臺台長卡明斯基說,當夜德國萊茵地區以北的警察局和天文觀象臺的電話不斷,有的人甚至懷疑又發生毒氣洩漏事件。這次極光現象被遠在160公里高空的觀測太陽的飛行器ACE發現,並發出了預告。在北京時間4月7日淩晨零時三十分,宇宙飛行器ACE發現一股攜帶著強大帶電粒子的太陽風從它旁邊掠過,而且該太陽風突然加速,速度從每秒375公里提高到每秒600公里,一小時後,這股太陽風到達地球大氣層外緣,為我們顯示了難得一見的造化神工。