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【生活中的科学】极光的原理

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【慕联导读】

如果你到南北极,你可能会看到天空中美丽的光,这就是极光。极光出现在地球高磁纬地区,是一种罕见的自然景观。极光不止出现在地球,在太阳系其它具有磁场的行星上,也会发生这种现象。那极光是如何形成的呢?

 

极光成因


在地球南、北两极附近的高空,夜间常会出现一种奇异的光。其色彩斑斓:有紫红色,有玫瑰红,有橙红色,也有白色和蓝色。其形状也是千差万别:有的像空中飘舞的彩带,有的像一团跳动的火焰,有的像帷幕,有的像柔丝,有的像巨伞。这种大自然的“火树银花不夜天”的景象就是极光。

1957 年 3 月 2 日夜晚,人们在黑龙江省呼玛县的上空观察到了这种离奇的光变。7 点多钟,西北方的天空中出现了几个稀有的彩色光点,接着,光点放射出不断变化的橙黄色的强烈光线。不久,光线渐渐模糊而形成幕状。尔后,彩色逐渐变弱,到 8 点 30 分消失。但 10 点零 3 分,这一情景又再次出现。令人惊奇的是,在同一天晚上 7 点零 7 分,新疆北部阿尔泰山背后的天空也出现了鲜艳的红光,像山林起火一般。红色的天空里射出很多片状,垂直于地面形成白而略带黄色的光带。渐渐地,这光带变成了银白色。这些光带呈辐射状,逐渐向天顶推进。各光带之间呈淡红色,并不断忽明忽暗。光带的长短也不断变化。7 点 40 分左右,光带伸展到天顶附近,这时的光色最为鲜明,好似一束白绸带,飘扬在淡红色的天空中。大约 10 点,景色完全消失。关于极光的成因有种种推测。

早期观点

1. 本杰明·佛兰克林的理论:神奇的北极光是浓稠的带电粒子和极区强烈的雪和其他的湿气作用造成的。

2、极光的电子来自太阳发射的光束。这是克利斯蒂安柏克兰在 1900 年提出的说法,她在实验室用真空室和磁化的地球模型,显示电子是如何被引导至极区。这个模型的问题包括本身缺乏在极区的极光、负电荷本身自行散射这些光束、而且仍然缺乏任何太空中的观测证据。

3、破水桶理论:极光是溢流出的辐射带,这是詹姆斯·范艾伦和工作伙伴大约在 1962 年首先提出的。他们指出在辐射带内获得的巨大能量很快就会在极光的漫射中耗尽。不久之后,很明显地,陷在辐射带内的都是高能的带正电离子,而在极光内几乎都是能量较低的电子。 

4、极光是太阳风中的粒子被地球的场线引导至大气层顶端造成的。这适用于极光的尖点,但在尖点之外,太阳风没有直接的作用。另一方面,太阳风的能量主要都留驻在带正电的离子,电子只有 0.5eV,而在尖点上会上升至 50~100eV,这仍然远低于极光的能量。

 

现代观点

极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。

当他们进入极地的高层大气时,与大气中的原子和分子碰撞并激发,产生光芒,形成极光。根据美国国家航空航天局“瑟宓斯卫星任务”(Themis mission)传回的数据,科学家发现太阳释放的带电粒子像一道气流飞向地球,碰到北极上空磁场时又形成若干扭曲的磁场。

带电粒子的能量在瞬间释放,以灿烂眩目的北极光形式呈现,而地球的极光主要只有红、绿二色是因为在热成层的氮气和氧原子被电子撞破,分别发出红色和绿色光。

这项研究是由美国加州大学洛杉矶分校的安吉罗波洛斯主持,其研究结果已于 2007 年 12 月 9 日在“美国地球物理联合会”的学术会议中发表。

瑟密斯卫星任务的 5 个人造卫星群 2007 年 2 月成功发射升空,3 月在阿拉斯加和加拿大上空侦测到北极光出现两小时,同一时间卫星也侦测到带电粒子流接触到北极磁场。

而让安吉罗波洛斯惊讶的是,带电粒子和磁场接触形成的地磁风暴以每分钟 650 公里的速度掠过空中,威力相当于芮氏规模 5.5 的地震。一直到 2010 年 5 月才获得证实,当时瑟密斯任务的卫星群从地球上空 6 万多公里首度测到扭曲磁场的结构。

科学家早就怀疑,北极光的能源来自带电粒子与北极磁场接触产生的扭曲磁场,但这个理论极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线(Field line)集中到南北两极。

在北半球观察到的极光称北极光,南半球观察到的极光称南极光,经常出现的地方是在南北纬度 67 度附近的两个环带状区域内,阿拉斯加的费尔班克斯(Fairbanks)一年之中有超过200天的极光现象,因此被称为“北极光首都”。

地球磁层磁力线携带太阳风的能量进入地球内部,进而驱动了地磁场的形成。在这磁层磁力线闭合环路上除了有地球内部的导电体之外,另外还有大气层的电离层这一弱导电体。

当太阳风强烈时,磁力线能量遇到地球内部的磁感抗,有许多能量消耗不掉,于是就在电离层处形成了极光。

最近,因为新卫星技术,日本科学家第一次直接观测到带电粒子沉淀进入地球大气的合成波散射电子。沉淀的电子通量足够强烈,可产生脉动极光。这是人类探究极光产生现象的里程碑事件!未来,由于新技术的发展,科学家会继续探究极光产生的具体原因。

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