□ 國家天文臺 黃亞芳

迷你問答系列（六）

極光是怎樣形成的？

□ 國家天文臺 黃亞芳

圖中是冰島上空的綠色極光，與前景冰川相呼應(yīng)，仿佛是一座正在噴發(fā)的綠色火山。倒映在湖面上的淡綠色光影、天上的云朵和西沉的明月交相輝映，美不勝收。（圖片來源：APOD）

雖然我們大多數(shù)人并沒有親眼見到過極光，但只要提到它依然會在腦中閃過這樣的畫面：空曠的夜空中，縹緲的綠光如絲帶般飛舞飄動。極光真的是這樣嗎？極光到底是怎樣形成的呢？

Q 極光是怎樣形成的？

A 在介紹極光的形成之前，我們先來介紹一下地球生命的保護(hù)傘——地球磁場。

我們可以把地球視為一個巨大的磁鐵，其中磁北極在地理北極附近、磁南極在地理南極附近。這兩極所產(chǎn)生的球體磁場即為地球磁場。指南針正是利用了磁鐵的指極特性來幫助我們辨別方向，不過由于通過兩個磁極的假想直線（磁軸）與地球的自轉(zhuǎn)軸大約成11.5度的夾角，因此指南針?biāo)傅姆较虿⒉皇堑乩砩系恼媳狈较颉?/p>

地球磁場

地球保護(hù)傘——地球磁場

地磁場一個重要的作用是保護(hù)地球生命免受太陽風(fēng)的危害。太陽風(fēng)是一種等離子體，地球磁場的存在像是為地球張開了一把大傘有效地阻止了太陽風(fēng)的長驅(qū)直入。在地球磁場的“抵抗”下，太陽風(fēng)中的大部分高能粒子會繞過地球磁場，繼續(xù)向前運(yùn)動，但有些高能粒子會被地球磁場俘獲，并沿著磁力線向磁極落下。這些下落的高能帶電粒子，與兩極大氣層中的氧、氮等分子、原子發(fā)生碰撞，成為激發(fā)態(tài)的離子，并發(fā)射出不同波長的輻射。由此便產(chǎn)生出壯美的極光。因此，極光不只在地球上出現(xiàn)，太陽系內(nèi)其他具有磁場的行星上也會有極光出現(xiàn)。

超鏈接：太陽風(fēng)

在太陽日冕層的高溫（上百萬開爾文）下，氫、氦等原子已經(jīng)被電離成帶正電的質(zhì)子、氦原子核和帶負(fù)電的自由電子等。這些帶電粒子運(yùn)動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，沖向太陽的外圍，形成太陽風(fēng)。

Q 極光是什么顏色的？

A從上文我們知道，美麗的極光

正是太陽風(fēng)、地球磁場和大氣層共同的杰作。太陽風(fēng)中高能帶電粒子的能量、數(shù)量和大氣層中不同高度處不同原子、分子的特性直接決定著極光的顏色和強(qiáng)度。入射離子的能量高低決定了粒子能夠沖入大氣的深度。在不同的高度碰到不同種類的氣體分子便會產(chǎn)生不同的顏色。

通常來說，在200千米以上的高空，帶電粒子撞到氧原子時，氧原子會受激發(fā)出紅光。而在100~200千米高空，氧原子則會受激發(fā)出黃綠色光，這也是我們最常會在極光照片上看到的顏色。另外，電離狀態(tài)下的氮會發(fā)出藍(lán)光，中性的氮分子受到撞擊時發(fā)出的則是紫紅色光。

打一個形象的比方，極光活動可以說就像磁層活動的實況電視畫面一樣。下落的高能粒子為電視機(jī)的電子束，地球大氣為電視屏幕，地球磁場為電子束導(dǎo)向磁場。三者共同作用，在這個天然“大電視”中為我們上演變幻莫測、絢麗奪目的極光盛筵。

正因如此，極光有帷幕狀、弧狀、帶狀以及射線狀等多種形狀。其中發(fā)光均勻的弧狀極光是最穩(wěn)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(shù)其他形狀的極光通?？偸浅尸F(xiàn)出快速的變化，并最終朝地極方向消失褪去。

美國緬因州上空多彩的極光。（圖片來源：APOD）

加拿大北部的壯觀極光與地面帳篷屋內(nèi)灑出的溫暖光線共同構(gòu)成了這幅色彩飽滿的美圖。（圖片來源：APOD）

Q 何時何地能看到極光？

A地球磁場會引導(dǎo)絕大部分太陽風(fēng)中的高能粒子“繞道而行”，但有少數(shù)會隨著磁力線落到地球的兩極“漏斗”區(qū)域，因此極光往往出現(xiàn)在靠近地磁極附近的高緯地區(qū)——在南極地區(qū)形成的叫南極光，在北極地區(qū)形成的叫北極光。然而在太陽活動盛期，極光有時也會延伸到中緯度地帶。太陽每11年左右有一個非?；顒悠?，會拋出大量高能粒子進(jìn)入宇宙空間，此時出現(xiàn)的極光最為瑰麗壯觀。

由于地平線上的城市燈光和高層建筑都會遮擋我們的視線，所以極光的最佳觀測地點是在高緯度地區(qū)鄉(xiāng)間的空曠地帶。在中國，北極村就是一個能讓你有機(jī)會一睹極光風(fēng)采的地方。北極村位于中國黑龍江省漠河縣，是中國最北的城鎮(zhèn)、距離北極最近的地方之一。北極光雖然一年四季都有可能出現(xiàn)，但最佳觀測時間是在每年冬季的夜晚。因為此時漠河常會出現(xiàn)萬里晴空的天氣，而且北極正處在極夜之中，能看到極光的概率也就大大增加。雖然極光白天也會出現(xiàn)，但因白天陽光亮度大，極光亮度小，不易看到。

漠河極光（圖片來源：http://travel.fengniao.com/301/3016950.html）

超鏈接：極夜與極晝

極夜是指發(fā)生在地球的兩極地區(qū)，一日之內(nèi)太陽都在地平線以下的現(xiàn)象。相反，極晝是指一日之內(nèi)太陽都在地平線以上的現(xiàn)象。北極和南極都有極晝和極夜，一年內(nèi)大致連續(xù)六個月是極晝，六個月是極夜。

極光的低調(diào)“伙伴”

相比絢麗無比的極光，還有一種鮮為人知的大氣發(fā)光現(xiàn)象——氣輝。氣輝之所以如此低調(diào)，是因為觀測氣輝的最佳地點是在國際空間站，從太空來看，地球表面常常會有一個黃綠色的光圈。這個神秘的光圈，便是氣輝。

氣輝與極光類似，都是由于高層大氣電離產(chǎn)生。它是發(fā)生在大氣層高處的光化學(xué)反應(yīng)，由多種原子、分子和離子受太陽紫外輻射激發(fā)后釋放出來的光線形成?？梢姷臍廨x多數(shù)來自氧原子和分子，它們發(fā)出的是綠光，就像通常在極光中看到的一樣。盡管在大氣層各層中都有這些元素，不過明顯可見的發(fā)光層主要分布在85~90千米的高度，通常是一個6~10千米厚的光圈。這是因為，處于這個高度之下的原子和分子更密集，碰撞更多，會快速地釋放出它們的能量。此外，還有很多其他因素（比如氣溫）也會在氣輝現(xiàn)象中起作用。不同時間段也是影響因素之一，比如夜晚的氣輝就和白天的不一樣。由于氣輝的存在，即使刨除了星光和散射太陽光的影響之后，地球的夜晚也不會是全黑的。

氣輝與極光雖然都是由高層大氣電離形成，但它們的具體形成機(jī)制有所區(qū)別，并且在與太陽活動的關(guān)系和可觀測的地理緯度上也存在明顯的差異。極光的出現(xiàn)與太陽活動相關(guān)，而氣輝與太陽活動關(guān)系不大，且呈現(xiàn)出周期性和季節(jié)性的變化；只要條件合適，氣輝可以在地球上空任意一塊大氣層中出現(xiàn)，而極光則較多地出現(xiàn)在地磁極附近的地區(qū)。此外，氣輝的發(fā)光度也要比極光微弱得多。

國際空間站拍攝到的氣輝現(xiàn)象（圖片來源：APOD）

拉斯坎帕納斯天文臺夜晚上空的氣輝與銀河。（圖片來源：APOD）