□吳再豐 編譯

極光探秘

□吳再豐 編譯

極光圍著磁極點的地區(qū)像光環(huán)那樣顯現(xiàn)。極光發(fā)電機(jī)的正極是早晨側(cè)的磁層界面，負(fù)極是傍晚側(cè)的磁層界面。那么，正負(fù)端子是怎樣給極地的超高層大氣提供電力的呢？

點綴極地夜空的極光，可謂是地球上所看到的最神秘的自然現(xiàn)象之一。

極光的英文名叫“aurora”。實際上，它出自羅馬神話“曙光女神”的名字，古人相信趕走黑夜、引來黎明的是這個曙光女神。而在中世紀(jì)的歐洲，如果極光出現(xiàn)，卻會被認(rèn)為是不祥之兆；那時的人把兩極中緯度地區(qū)天空上出現(xiàn)的那種極光現(xiàn)象與血腥聯(lián)想在一起，并作為上帝發(fā)怒的征兆。

其實，極光不是天氣現(xiàn)象，而是一種宇宙物理現(xiàn)象。從太陽飛來的所謂太陽風(fēng)的帶電粒子，會被地球磁場捕俘并加速，通過與超高層大氣碰撞便形成了極光。在太陽活動高峰期，可大大提高觀察大規(guī)模且有色彩變化的極光的可能性。預(yù)計今明兩年將迎來太陽的高峰期，這將有利于對極光的深入研究。

地球是巨大的磁鐵

首先對地磁緯度作一說明。在地球上的磁鐵通常指南北，這是因為地球自身存在大的磁鐵。1600年，英國物理學(xué)家威廉·吉爾伯特闡明地球周圍有自南向北的磁力線包圍，地磁的擴(kuò)散即構(gòu)成磁場。地球地磁與穿過地球中心的條形磁鐵的磁場（偶極磁場）非常相似。假定地球中心有條形磁鐵，那么其軸與自轉(zhuǎn)軸偏離約11.5°。另外，條形磁鐵的延長線碰到地表的點稱“地磁極”。

地磁的南北兩極與地球的南北兩極不一致，而且位置也不固定。這是因為地球磁場每年都在變化，地磁極的位置也在變化。2005年，地磁北極在北緯79.7°，西經(jīng)71.8°的格陵蘭的西北部，地磁南極在南緯97.7°，東經(jīng)108.2°的位置。即在北半球，地球的地磁極比自轉(zhuǎn)軸更傾向于美國，在南半球更傾向于澳大利亞。

極光在夜里比白晝更活躍

地球上極光最常見的地方是在地磁緯度65～75°的面包圈狀地區(qū)，該地區(qū)被稱作“極光帶”。極光帶在北半球是從西伯利亞的北極海側(cè)起經(jīng)斯堪的納維亞半島以北，格陵蘭的南端穿過哈德遜灣，再從加拿大的北部穿過阿拉斯加的正中這一地區(qū)。這一帶有極光“銀座”之稱，據(jù)統(tǒng)計每年有200多天能見到極光。在南半球有同樣的極光帶，恰好是圍著南極大陸轉(zhuǎn)一圈。

但是，在某個瞬間，極光并不覆蓋整個極光帶。如果從數(shù)萬千米上空的人造衛(wèi)星拍攝實際的極光，就會發(fā)現(xiàn)極光并不是相對磁極成同心圓狀分布。白天會偏向高緯度，晚上則偏向低緯度區(qū)域出現(xiàn)。這個區(qū)域被稱作“極光橢圓”。極光沿著極光橢圓出現(xiàn)，但是清晰明亮的極光大多發(fā)生在半夜。極光在夜里比白天更趨活躍。

極光是放電現(xiàn)象

19世紀(jì)中葉，科學(xué)家覺得極光應(yīng)該是太陽光線通過懸浮在極地大氣中的小冰片被反射而出的發(fā)光現(xiàn)象，那么通過棱鏡來看極光，理應(yīng)看到像彩虹那樣的七色光（連續(xù)光譜）。

有趣的是，我們知道極光不是連續(xù)光譜，而是由若干線譜和帶譜構(gòu)成。實驗得知，將玻璃管抽成真空，加高電壓會引起放電，殘存在玻璃管內(nèi)的空氣會發(fā)光，那個光由線譜和帶譜構(gòu)成。所以，瑞典物理學(xué)家奧古斯特·羅姆認(rèn)為，極光是“放電現(xiàn)象”。

讓極光發(fā)光是電離層中的氧原子、氧分子、氮分子或它們的離子。如果這些粒子與具有非常大運動能量的數(shù)千電子伏特的電子碰撞，則提高了粒子內(nèi)部的能量狀態(tài)。因為這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，不久就回到原來能量的低穩(wěn)定狀態(tài)，那時會將多余的能量作為光子釋放，被釋放的能量由被碰撞的粒子的種類決定，這樣就看到在特定波長的顏色上發(fā)光。

例如，最常見的淺綠色幕狀極光是氧原子發(fā)出波長558納米（1納米是十億分之一米）的光造成的。明亮幕狀極光的下端也有在高度90～100千米被染成粉紅色的，而這是由氮分子發(fā)出波長570～770納米的光造成的。另外，引起大的磁暴時，在日本北海道等地會看到像火山噴發(fā)那樣紅的極光，則是氧原子發(fā)出波長630納米的光形成的。

極光產(chǎn)自太陽的日冕

太陽的能量大體上分為三類：第一類幾乎可以說是可見光的能量；第二類是對生物有害的紫外線或X射線，但這些射線已在對流層上面被大氣吸收，幾乎沒有到達(dá)地表；第三類是等離子體。所謂“等離子體”，是原子完全電離為質(zhì)子與電子的狀態(tài)。導(dǎo)致極光發(fā)光的，就是那個等離子體流借助太陽風(fēng)沖擊地球之故。

從宇宙學(xué)中得知，當(dāng)太陽被加熱到100萬開以上的高溫時，這個太陽就又被稱之為“日冕”。它被稀薄大氣層包裹著。日冕慢慢地膨脹，最終變?yōu)槊胨?00千米以上的太陽風(fēng)，刮過太陽系的空間。這個太陽風(fēng)的能量只有可見光能量的百萬分之一，其中每立方厘米只有10個帶電粒子。但是那樣的太陽風(fēng)會對行星間空間或地球的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生很大影響。

高峰期頻繁引起爆發(fā)現(xiàn)象

太陽活動是否活躍，其最顯著的標(biāo)志表現(xiàn)在于黑子的數(shù)量上。太陽黑子數(shù)量按大約11年的周期增減，黑子多時被稱為太陽活動旺盛的“高峰期”，反之稱為“極小期”。

高峰期在黑子周邊的強(qiáng)磁場儲備了巨大的能量，造成磁場畸變。一旦能量釋放，就頻繁地發(fā)生被稱之為“耀斑”的爆發(fā)現(xiàn)象。隨著耀斑的爆發(fā)，超高溫的等離子體便出現(xiàn)在日冕中。另外，電子或離子也被加速到接近光速，并一下子釋放到行星間。

作為另一個爆發(fā)現(xiàn)象，“日冕氣體拋射”（CME，即發(fā)生包含強(qiáng)磁場或高密度帶電粒子的等離子體云）一邊向太陽外側(cè)上升一邊急劇膨脹，成長到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過太陽本身大小。伴隨耀斑或日冕氣體拋射的太陽風(fēng)，秒速達(dá)到1000千米，爆發(fā)后約兩天到達(dá)地球。

如果CME與地球發(fā)生碰撞，則能劇烈搖晃地磁層，此刻就會出現(xiàn)極光。與此同時，也會出現(xiàn)大的磁暴，造成電波通信障礙。

極光發(fā)電機(jī)原理

在自然界有打雷等瞬間的放電現(xiàn)象，但極光是連續(xù)放電現(xiàn)象，所以必須要有供給電力的發(fā)電機(jī)。極光放電的電力達(dá)到10億千瓦，幾乎相當(dāng)于美國一年的電力消耗量。一般的發(fā)電機(jī)，通過在磁場中快速運動使導(dǎo)電體產(chǎn)生電動勢。在極光發(fā)電機(jī)擔(dān)當(dāng)導(dǎo)電體角色的是等離子體流的太陽風(fēng)，人們將這樣的發(fā)電稱之為“磁流體（MHD）發(fā)電”。

由于帶電粒子通過磁場的行進(jìn)路線被彎曲，所以太陽風(fēng)并不是直接撞上構(gòu)成巨大磁鐵的地球。太陽風(fēng)刮到地球附近時，在地球周圍制造空洞，可見地球磁場起到了守護(hù)地球免遭太陽風(fēng)直擊的屏障作用。我們將守護(hù)空洞的這個磁場稱為“地球磁層”。地球磁層在太陽側(cè)（晝側(cè)）被太陽風(fēng)壓碎，在對側(cè)（夜側(cè)）構(gòu)成像彗星那樣拖著長長尾巴的形狀，稱為“磁層尾部”。這個閉磁層形成的理論是由1931年英國地球物理學(xué)家西德尼·查普曼提出的。

雖說地球磁場有被禁錮在磁層內(nèi)的傾向，但因太陽風(fēng)經(jīng)常搬來太陽磁場，所以具有磁場。被磁化的等離子體流被刮到磁層的周圍時，地球磁場沒有完全被禁錮在磁層里面，從而使從磁層交界的極地出來的磁力線與太陽風(fēng)的磁力線結(jié)合。人們將這個重接的磁力線稱為“磁重接”。

導(dǎo)電體的太陽風(fēng)，通過橫穿這個被重接的磁力線產(chǎn)生電動勢。這就是極光電動機(jī)的原理，即太陽風(fēng)與地球磁場確實構(gòu)成了自然的大發(fā)電站。從查普曼的理論到這個重要理論的改進(jìn)整整用了30年，顯示了科學(xué)的進(jìn)步是多么不易啊。

20世紀(jì)60年代，人造衛(wèi)星觀測表明，磁層內(nèi)部具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。最靠近地球的地方有以地球的電離層為源頭的等離子體層，與此部分重疊的又被稱之為“范·艾倫帶”，它是充滿高能粒子的輻射帶。磁層尾部有被電離的熱粒子塞滿的“等離子體片”，儲存著太陽風(fēng)的能量。夜里引起頻繁極光的粒子就是從這里沿著磁力線來的。

極光的放電電路

極光圍著磁極點的地區(qū)像光環(huán)那樣顯現(xiàn)，這是因為極光放電電路像包圍磁極點那樣分布的緣故。極光發(fā)電機(jī)的正極是早晨側(cè)的磁層界面，負(fù)極是傍晚側(cè)的磁層界面。那么，正負(fù)端子是怎樣給極地超高層大氣提供電力的呢？

首先，我們發(fā)現(xiàn)在地球連接早晨側(cè)磁層界面的磁力線分布在極地傍晚側(cè)構(gòu)成的半圓中，而傍晚側(cè)磁層界面的磁力線分布在極地早晨側(cè)構(gòu)成的半圓中，電子在稀薄的等離子體中沿著磁力線盤成螺旋形那樣運動，所以這些磁力線在極光放電時起到了看不見的“電線”的作用。即放電電流從磁層界面的正極流入極地早晨側(cè)的電離層，橫穿極冠（極光橢圓所包圍的內(nèi)側(cè)部分）的電離層后，從電離層流向傍晚側(cè)磁層界面的負(fù)極。這個被稱之為第一個極光放電電路，也是極光在極地呈現(xiàn)環(huán)狀的理由之一。但是實際的放電電路遠(yuǎn)比這個要復(fù)雜，剛才所述的電路在赤道側(cè)也有一個。而在夜里頻繁出現(xiàn)的極光放電電路則另當(dāng)別論。

這個放電電流是靠沿著磁力線分布的電子來傳輸?shù)摹Ｋ牟糠蛛娮觼碜蕴栵L(fēng)，也包含電離層的電子。需要注意的是，電流的流向與電子的運動方向相反。再者，由于放電電路是開放的，如果沒有電離層，就不會引起極光放電。

地球的磁性正在減弱

通常，極光出現(xiàn)的緯度是由太陽風(fēng)與地球磁場的平衡決定的。在太陽活動高峰期的2000年，當(dāng)時極光帶位于地磁緯度的45～50誘，這意味著極光橢圓擴(kuò)大。在這樣的狀態(tài)下，即使在日本北海道也能見到極光。

但是，在極地所能看到的劇烈舞動的極光并未來到北海道。由于地球是圓的，在北海道只能好不容易才看到極光幕的上邊部分，由于那部分紅色居多，所以在北海道能見到的是靠近地平線隱隱約約的染成紅色的極光。

自從十九世紀(jì)德國物理學(xué)家卡爾·高斯最早測定地磁強(qiáng)度以來，地球的磁力在百年間已降低5%，即每年以0.05%的比例降低。近30年通過衛(wèi)星磁力測定發(fā)現(xiàn)，其減少率進(jìn)一步提高，每年已達(dá)0.07%，如果照這樣的比例降低，1200年后地球的磁力將變?yōu)榱悖ǖ厍虼艌鰧l(fā)生逆轉(zhuǎn)）。

倘以這個數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬千年后的極光帶，那么極光將會在東北亞上空飛舞，屆時我們不用去極地就能觀賞極光了。