极光现象的形成

2012-07-26 17:52:30

夜间天空出现的很美丽但常常很奇异的光被称为极光，几千年来一直引起人们的兴趣，被称作\"北极光\"或\"北部的光\"（图1），极光也在南半球发生并称为南极光。

图1 2000年8月12日日出前，在华盛顿州Mt. Rainier National Park, WA.拍到的 极光

与八月流星雨同时出现的照片

在许多传说、神话及迷信中认为人类历史是围绕着极光出现的。据说中国和欧洲龙的传说是起源于极光。一些文化认为看到极光是一种高贵出身的象征；另一些则认为极光象征死者的灵魂或是战争的先兆。北美的爱斯基摩人则认为如果在极光出现的时候吹口哨，极光就会冲下来把你带走；但你可以通过击掌而使它退却而去。 磁层是关键

极光起源于距地球很远的太阳。来自太阳的高能离子被时时刻刻存在的太阳风带入空间。太阳风以300km/s-1000km/s的超音速度穿过行星际空间朝向地球吹来，并携带太阳磁场。太阳风是原来的地磁场扭曲而形成象彗星形状的磁层圈，如图2。

图2 地球及磁层中的一些重要区域的剖面图

磁层顶就象一个屏障，保护着地球免受太阳风中的高能粒子和辐射。磁层顶使高能粒子在地球的周围发生偏转，但也有一些被扑获。被磁场扑获的电子沿着磁场加速进入极区，并与大气碰撞而形成极光。

图 3 高能电子沿地磁场线到达极区，撞击上层大气引起极光

进入地球磁场的粒子在地面表面大致形成一个圈状，被称为极光椭圆。这个圈或位于磁极的环面，在平静期直径有约3000km。当磁层顶受扰动时，环面会增大。发现极光椭圆的位置通常是在南北纬600到700，如图3。

极光的特征在于它的形状大小各异。高的弧线和射线在地球表面上空100km开始发亮，然后向上沿着磁场延伸到几百公里高度。当从地面向地平线延伸时，这些弧状或帘状有时窄的只有100米。

极光弧有时几乎静止不动，就象一只手沿着一个很高的布帘 在运动，极光将开始跳动和转动。在午夜之后，极光就象一块补丁在天空每10秒闪烁一下或一直持续到黎明。 大部分极光呈现黄绿色，但有时高的射线在它们的顶部或低部边沿变成红色。在极少的情况下，太阳光与极光射线的顶部碰撞而产生淡蓝色。在更少的情况下（大约10年一次），极光从顶到底呈现很深的血红色。除了产生光之外，高能极光粒子也释放热量。释放的热量会被红外辐射驱散或者被上层大气中强风吹走。 极光的形成

极光是高能粒子（通常是电子）与地球上层大气中的中性原子相互作用引起的。这些高能粒子能激活（通过碰撞）那些束缚于中性原子上的化合价。而活跃的电子则回到了它们最初低能状态并且在此过程中释放质子（光粒子）。这个过程和氖灯里的放电相似。 极光的任何一个粒子的颜色是依赖于一个特殊大气和它自身的电子状态及撞击大气时的粒子能量。原子氧主要产生绿色（波长为557.7nm）和红色（波长为630.0nm）。

图 4 空间高速电子沿磁场运动并与大气中氧原子或氮分子相撞；原子或分子被高速电子激

活而以不同颜色的光释放能量

太阳的变化

太阳是一个有着从几小时到几百年变化尺度的千变万化的星体。行星际磁场的方向和太阳风速度及密度都受太阳活动影响的。它变化很快并且影响着地磁活动。当地磁活动增强时，北极光的南边沿会向低纬度移动。同样，太阳物质抛射是和增大的极光椭圆相辅相成的。如果行星际磁场和地磁场的方向相反，增强的能量就会流入磁层，当然增强的能量就会流入地球的极区，这将会引起强烈的极光现象。

地球磁场的扰动称为地磁暴。地磁扰动使得极光亮度和运动发生突然变化，这就是极光亚暴。磁暴和亚暴的磁场扰动会引起电力传输起伏振荡、有时会毁坏高压输电网设备，导致远距离电能储运损耗。也可能影响卫星-地面间通讯及导航系统的操作。磁暴能持续几小时甚至几天，极光亚暴一天中可能发生好几次。每一次亚暴都会释放几百兆焦耳的能量。 从通过天空的星星来标记路线到现在，导航系统已经相当先进。现今，我们最近的恒星调节着导航系统运行。

地磁场的测量

地磁场可以通过磁力计来测量。从磁力计测得的数据使得观测者可以追踪到当前的地磁场情况。磁力计的数据通常是以每3小时给出地磁活动的水平。其中一个为K指数。 K指数分为0-9十个等级并直接与每3个小时间隔的地磁场扰动量直接相联系。K指数越大，极光发生的可能性也就越大。当然，K指数也与特定的观测台站位置有关。对那些没有天文台的地方，可以参考距离最近的天文台数据来估计当地的K指数。Kp指数是由极光活动的全球平均转换得到。这个指数是当前国际通行反映地磁活动的基础应用数据。