極光 -大氣發光現象

極光

極光(Aurora、Aurora Borealis、Polar light或Northern light)出現于星球的高磁緯地區上空,是一種絢麗多彩的發光現象。而地球的極光,來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流(太陽風)使高層大氣分子或原子激發(或電離)而產生。

極光常常出現于緯度靠近地磁極地區上空,一般呈帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,這些形狀有時穩定有時作連續性變化。極光產生的條件有三個:大氣、磁場、高能帶電粒子。這三者缺一不可。

極光不隻在地球上出現,太陽系內的其他一些具有磁場的行星上也有極光。

  • 中文名稱
    極光
  • 外文名稱
    Aurora,Aurora Borealis,Polar light或Northern light
  • 形狀
    帶狀、弧狀、幕狀、放射狀等
  • 極光區
    離磁極25°~30°的範圍
  • 條件
    大氣、磁場、高能帶電粒子

極光形態

關于極光分布情況的研究,極光區的形狀不是以地磁極為中心的圓環狀,而是卵形。極光的光譜線範圍約為3100~6700埃,其中最重要的譜線是5577的氧原子綠線,稱為極光綠線。極光下邊界的高度,離地面不到100公裏,極大發光處的高度離地面約110公裏左右,正常的最高邊界為離地面300公裏左右,在極端情況下可達1000公裏以上。

分部區域

由于地磁場的作用, 這些高能粒子轉向極區,所以極光常見于高磁緯地區。在大約離磁極25°~30°的範圍內常出現極光,這個區域稱為極光區。在地磁緯度45°~60°之間的區域稱為弱極光區,地磁緯度低于45°的區域稱為微極光區。

基本分類

按照極光的形態分類,可分為勻光弧極光、射線式光柱極光、射線式光弧光帶極光、簾幕狀極光、極光冕等。

極光

按照極光觀測的電磁波波段,可分為光學極光、無線電極光等。

按極光激發粒子類型,可分為電子極光、質子極光等。

按照極光發生區域,可分為極蓋極光、極光帶極光 、中緯極光紅弧等。

觀賞案例

2015年3月3日凌晨,中國南極中山站站區上空出現絢麗的極光現象,持續時間超過數小時。極光是發生在地球高磁緯地區的一種大規模放電現象。由于中山站特殊的地理位置,極光帶兩次穿越中山站,是世界上進行極光觀測的最佳場所之一。

極光

2016年2月23日,64歲的赫爾加森(Helgason)就用鏡頭記錄了這絕無僅有的一幕——一隻騰空的鳳凰。冰島極光似“火鳳凰” 夜空展翅飛翔。

產生原因

極光(Aurora、Aurora Borealis、Polar light或Northern light)出現于星球的高磁緯地區上空,是一種絢麗多彩的發光現象。而地球的極光,來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流(太陽風)使高層大氣分子原子激發(或電離)而產生。極光產生的條件有三個:大氣磁場、高能帶電粒子。這三者缺一不可。極光不隻在地球上出現,太陽系內的其他一些具有磁場的行星上也有極光。

極光

早期觀點

許多世紀以來,這一直是人們猜測和探索的天象之謎。從前,愛斯基摩人以為那是鬼神引導死者靈魂天堂火炬。13世紀時,人們則認為那是格陵蘭冰原反射的光。到了17世紀,人們才稱它為北極光——北極曙光(在南極所見到的同樣的光稱為南極光)。

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大氣層合作表演出來的作品。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”。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子,是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流,因而屬于等離子態。太陽風地球上空環繞地球流動,以大約每秒400公裏的速度撞擊地球磁場地球形如漏鬥,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“漏鬥”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。在南極地區形成的叫南極光,在北極地區形成的叫北極光

在過去,有些理論被用來解釋這種現象,但都已經過時了:

1.本傑明·佛蘭克林(Benjamin Franklin)的理論:神奇的北極光是濃稠的帶電粒子和極區強烈的雪和其他的濕氣作用造成的;

2.極光的電子來自太陽發射的光束。這是克利斯蒂安柏克蘭在1900年提出的說法,她在實驗室用真空室和磁化的地球模型,顯示電子是如何被引導至極區。這個模型的問題包括本身缺乏在極區的極光、負電荷本身自行散射這些光束、而且仍然缺乏任何太空中的觀測證據;

3.破水桶理論:極光是溢流出的輻射帶,這是詹姆斯·範艾倫和工作伙伴大約在1962年首先提出的。他們指出在輻射帶內獲得的巨大能量很快就會在極光的漫射中耗盡。不久之後,很明顯地,陷在輻射帶內的都是高能的帶正電離子,而在極光內幾乎都是能量較低的電子;

4. 極光是太陽風中的粒子被地球的場線引導至大氣層頂端造成的。這適用于極光的尖點,但在尖點之外,太陽風沒有直接的作用。另一方面,太陽風的能量主要都留駐在帶正電的離子,電子隻有0.5eV,而在尖點上會上升至50~100eV,這仍然遠低于極光的能量。

現代觀點

1890年,挪威家柏克蘭認為,離地球1.5億千米的太陽幾乎連續不斷地向地球放射物質點。而離地球5萬千米至6.5萬千米以外有一層磁場將地球罩住。當太陽的質點直射這層磁場而被擋住時,它便向地球四周擴散,尋找鑽入的空隙,結果約有1%的質點鑽入北磁極附近的大氣層。每顆太陽質點含有等于1000伏特的電力。它們在100千米外的高空大氣層中與原子和多半由氧和氮構成的分子相遇,原子吸收了太陽質點所含的一部分能量時,立即又將這能量釋放出來而產生極強的光,發出綠色和紅色的光,氮則發出紫、藍和一些深紅色的光。這些繽紛的色彩組成了綺麗壯觀的極光景象。

許多科學家正在對極光作深入的研究。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于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信息。例如,通過極光譜分析可以了解沉降粒子束來源,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。

極光雖然美麗,但是在地球大氣層中投下的能量,可以與全世界各國發電廠所產生電容量的總和相比。這種能量常常攪亂無線電和雷達的信號。極光所產生的強力電流,也可以集結在長途電話線或影響微波的傳播,使電路中的電流局部或完全“損失”,甚至使電力傳輸線受到嚴重幹擾,從而使某些地區暫時失去電力供應。怎樣利用極光所產生的能量為人類造福,是當今科學界的一項重要使命。

根據美國國家航空航天局“瑟宓斯衛星任務”(2007/12)(Themis mission)傳回的新資料,科學家發現太陽釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球,碰到北極上空磁場時又形成若幹扭曲的磁場,帶電粒子的能量在瞬間釋放,以燦爛眩目的北極光形式呈現,而地球的極光主要隻有紅、綠二色是因為在熱成層的氮氣和氧原子被電子碰撞,分別發出紅色和綠色光。瑟密斯衛星任務的5個人造衛星群于2007年2月成功發射升空,3月在阿拉斯加加拿大上空偵測到北極光出現兩小時,同一時間衛星也偵測到帶電粒子流接觸到北極磁場。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是,帶電粒子和磁場接觸形成的地磁風暴以每分鍾650公裏的速度掠過空中,威力相當于芮氏規模5.5級的地震

科學家早就懷疑,北極光的能源來自帶電粒子與北極磁場接觸產生的扭曲磁場,但這個理論一直到2010年5月才獲得證實。當時瑟密斯任務的衛星群從地球上空6萬多公裏首度測到扭曲磁場的結構。

產生的原理

極光是地球周圍的一種大規模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達地球附近,地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線(Field line)集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣時,與大氣中的原子和分子碰撞並激發,產生光芒,形成極光。經常出現的地方是在南北緯度67度附近的兩個環帶狀區域內,阿拉斯加的費爾班(Fairbanks)一年之中有超過200天的極光現象,因此被稱為“北極光首都”。所以極光隻能在地球的南北極被看見。

地球磁層磁力線攜帶太陽風的能量進入地球內部,進而驅動了地磁場的形成。在這磁層磁力線閉合環路上除了有地球內部的導電體之外,另外還有大氣層的電離層-這一弱導電體。當太陽風強烈時,磁力線能量遇到地球內部的磁感抗,有許多能量消耗不掉,于是就在電離層處形成了極光。

在地球上,極光是磁極地區上空的彩色發光現象。一般呈帶狀、弧狀、幕狀或放射狀。這些形狀有時穩定有時作連續性變化。它們有著五顏六色的光輝,像飄舞的彩帶,又像萬裏長虹。在大約離磁極25°~30°的範圍內會常出現極光,這個區域稱為極光區或者稱為極光橢圓帶。這種解釋一開始讓人感覺蠻有點道理,但是仔細分析會發現,這是個根本不能成立的解釋。

太陽風裏的帶電粒子每立方釐米隻有幾個,就是讓它們全發光,也難以觀察。而如果讓它們去撞擊氣體粒子,它們被撞到的概率更是微乎其微。再說說帶電粒子的沉降,人們根本不可能讓帶電粒子像灰塵一樣地沉降。當年斯托默就想計算極光的帶電粒子,不想它早跑到輻射帶裏去了。

就算之前假設全都成立,按照帶電粒子撞擊氣體粒子形成極光理論,極光在極尖區應該是一個柱狀體,而不應該是一個扁平環。而且扁平環處是極強磁場區;扁平環-極光橢圓帶也並不在極尖區之內,太陽風是到達不了那裏的。還有就是南北極光是共軛飛舞的,這也是帶電粒子撞擊氣體粒子形成極光理論所不可能解釋的現象。太陽風的速度平均也就是400千米每秒,而電磁場的變化速度是接近30萬千米每秒。如果同時看到南北兩極的極光共同鏡像飛舞,無論極光是地球的、土星的、或者是木星的,那都是一種視覺享受。訊息萬變的極光形態以及色彩變化,這都是太陽風的速度所做不到的事情。

觀念的改變有時會使人豁然開朗,如果用磁力線攜帶能量在電離層處形成極光的解釋來看待地球磁層結構的變化。我們會發現有好多疑難問題都可以得到解決。例如空間科學磁重聯、磁亞暴等許多爭論多年疑問就都能夠理順了。

典故傳說

中國

傳說一

相傳公元前兩千多年的一天,夜來臨了。隨著夕陽西沉,夜已將它黑色的翅膀張開在神州大地上,把遠山、近樹、河流和土丘,以及所有的一切全都掩蓋起來。一個名叫附寶的年輕女子獨自坐在曠野上,她眼眉下的一灣秋水閃耀著火一般的激情,顯然是被這清幽的夜晚深深地吸引住了。夜空像無邊無際的大海,顯得廣闊。安詳而又神秘。天幕上,群星閃閃爍爍,靜靜地俯瞰著黑魆的地面,突然,在北鬥七星中,飄灑出一縷彩虹般的神奇光帶,如煙似霧,搖曳不定,時動時靜,像行雲流水,最後化成一個碩大無比的光環,縈繞在北鬥星的周圍。其時,環的亮度急劇增強,宛如皓月懸掛當空,向大地瀉下一片淡銀色的光華,映亮了整個原野。四下裏萬物都清晰分明,形影可見,一切都成為活生生的了。附寶見此情景,心中不禁為之一動。由此便身懷六甲,生下了個兒子。這男孩就是黃帝軒轅氏。以上所述可能是世界上關于極光的最古老神話傳說之一。

極光

傳說二

在我國的古書《山海經》中也有極光的記載。書中談到北方有個神仙,形貌如一條紅色的蛇,在夜空中閃閃發光,它的名字叫燭龍。關于燭龍《大荒北經》有如下一段描述:“西北海之外,赤水之北,有章尾山。有神,人面蛇身而赤,直目正乘,其瞑乃晦,其視乃明。不食不寢不息,風雨是竭。是燭九陰,是謂燭龍。”這裏所指的燭龍,實際上就是極光。

外國

極光這一術語來源于拉丁文伊歐斯一詞。傳說伊歐斯是希臘神話中“黎明”(其實,指的是晨曦和朝霞)的化身,是希臘神泰坦的女兒,是太陽神月亮女神的妹妹,她又是北風等多種風和黃昏星等多顆星的母親。極光還曾被說成是獵戶星座的妻子。在藝術作品中,伊歐斯被說成是一個年輕的女人,她不是手挽個年輕的小伙子快步如飛地趕路,便是乘著飛馬駕挽的四輪車,從海中騰空而起;有時她還被描繪成這樣一個女神,手持大水罐,伸展雙翅,向世上施舍朝露,如同我國佛教故事中的觀音菩薩,普灑甘露到人間。

極光

愛斯基摩人認為極光是鬼神引導死者靈魂上天堂的火炬,原住民則視極光為神靈現身,深信快速移動的極光會發出神靈在空中踏步的聲音,將取走人的靈魂,留下厄運。

自然特征

極光之美

極光被視為自然界中最漂亮的奇觀之一。早在2000多年前,中國就開始觀測極光,有著豐富的極光記錄。極光多種多樣,五彩繽紛,形狀不一,綺麗無比,在自然界中還沒有哪種現象能與之媲美。任何彩筆都很難繪出那在嚴寒的兩極空氣中嬉戲無常、變幻莫測的炫目之光。 極光有時出現時間極短,猶如節日的焰火在空中閃現一下就消失得無影無蹤;有時卻可以在蒼穹之中輝映幾個小時;有時像一條彩帶,有時像一團火像一張五光十色的巨大銀幕,仿佛上映一場球幕電影,給人視覺上以美的享受。如果我們乘著宇宙飛船,越過地球的南北極上空,從遙遠的太空向地球望去,會見到圍繞地球磁極存在一個閃閃發亮的光環,這個環就叫做極光卵。由于它們向太陽的一邊有點被壓扁,而背太陽的一邊卻稍稍被拉伸,因而呈現出卵一樣的形狀。極光卵處在連續不斷的變化之中,時明時暗,時而向赤道方向伸展,時而又向極點方向收縮。處在午夜部分的光環顯得最寬最明亮。長期觀測統計結果表明,極光最經常出現的地方是在南北磁緯度67度附近的兩個環帶狀區域內,分別稱作南極光區和北極光區。在極光區內差不多每天都會發生極光活動。在極光卵所包圍的內部區域,通常叫做極蓋區,在該區域內,極光出現的機會反而要比緯度較低的極光區來得少。在中低緯地區,尤其是近赤道區域,很少出現極光,但並不是說壓根兒觀測不到極光。1958年2月10日夜間的一次特大極光,在熱帶都能見到,而且顯示出鮮艷的紅色。這類極光往往與特大的太陽耀斑暴發和強烈的地磁暴有關。在寒冷的極區,人們舉目瞭望夜空,常常見到五光十色,千姿百態,各種各樣形狀的極光。毫不誇大地說,在世界上簡直找不出兩個一模一樣的極光形體來,從科學研究的角度,人們將極光按其形態特征分成五種:一是底邊整齊微微彎曲的圓弧狀的極光弧;二是有彎扭折皺的飄帶狀的極光帶;三是如雲朵一般的片朵狀的極光片;四是面紗一樣均勻的帳幔狀的極光幔;五是沿磁力線方向的射線狀的極光芒。

極光形體的亮度變化也是很大的,從剛剛能看得見的銀河星雲般的亮度,一直亮到滿月時的月亮亮度。在強極光出現時,地面上物體的輪廓都能被照見,甚至會照出物體的影子來。最為動人的當然是極光運動所造成的瞬息萬變的奇妙景象。我們形容事物變得快時常說:“眼睛一眨,老母雞變。”極光可真是這樣,翻手為雲,覆手為雨,變化莫測,而這一切又往往發生在幾秒鍾或數分鍾之內。極光的運動變化,是自然界這個魔術大師,以天空為舞台上演的一出光的活劇,上下縱橫成百上千公裏,甚至還存在近萬公裏長的極光帶。這種宏偉壯觀的自然景象,好像沾了一點仙氣似的,頗具神秘色彩。令人嘆為觀止的則是極光的色彩,早已不能用五顏六色去描繪。說到底,其本色不外乎是紅、綠、紫、藍、白、黃,可是大自然這一超級畫家用出神入化的手法,將深淺濃淡、隱顯明暗一搭配、一組合,好家伙,一下子變成了萬花筒啦。根據不完全的統計,能分辨清楚的極光色調已達一百六十餘種。極光這般多姿多彩,如此變化萬千,又是在這樣遼闊無垠的穹窿中、漆黑寂靜的寒夜裏和荒無人煙的極區,此情此景,此時此刻,面對五彩繽紛的極光圖形,親愛的讀者,你說能不令人心醉,不叫人神往嗎?無怪乎在許許多多的極區探險者和旅行家的筆記中,描寫極光時往往顯得語竭詞窮,隻好說些“無法以言語形容”,“再也找不出合適的詞句加以描繪”之類的話作為遁辭。是的,普通的美麗、壯觀、奇妙等字眼在極光面前均顯得異常的蒼白無力,可以說,即使有生花妙筆也難述說極光的神採、氣勢、秉性脾氣于萬一。

神奇的聲音

北極光是指常出現在地球高緯度地區高層大氣中的發光現象,是太陽風與地球磁場相互作用的結果。北極光非常絢爛美麗,而伴隨北極光發生的,是一種很神秘的聲音。

一直以來,有關這種神秘的北極光聲音流傳著許多的傳說,也讓在荒野的人們感到恐懼和敬畏。

北極光發出的這種含混不清的爆裂聲的來源,終于首次在科學上得到了合理的解釋。

芬蘭阿爾托大學的科學家們發現了北極光神秘聲音的來源,這種聲音產生于距地面70米的空中。與此相比,由地球磁場幹擾而產生的絢爛而變幻莫測的北極光,則是產生于距離地面120千米的高空。

為了找到聲音的來源,科學家們利用了三個互相獨立的麥克風,在觀測點記錄下了北極光的聲音。接著,科學家們對這些聲音進行對比分析,從而最終確定了北極光聲音的來源。當北極光在觀測點出現的同時,芬蘭氣象研究所也同步測量到了伴隨北極光產生了地磁幹擾。

阿爾托大學的萊恩(Unto K. Laine)教授表示,“我們研究發現,在北極光出現期間,人們可以聽見一種伴隨極光自然產生的聲音。過去,我們認為極光離我們太遠,不可能會聽到極光發出的聲音,這種推斷沒有錯,但事實是,極光是由太陽產生的能量粒子幹擾地球磁場而產生的,它們在很遠的天邊,伴隨極光的聲音也是由類似原因而產生,隻不過產生這種聲音的地方離地面更近。”

有關北極光神秘聲音產生的具體原因仍然是一個迷,這種聲音並不是每次都會伴隨極光而來。從被記錄下來的聲音來看,這種聲音聽起來像是一種含混不清的爆裂聲,並往往隻持續一小段時間。另外一些聽到過極光聲音的人把這種聲音描述為一種噼啪聲,並且感覺聲音的距離很遠。通過這些不同的描述,科學家們推測北極光聲音產生的背後可能有著若幹不同的原理。

觀測地點

大多數極光出現在地球上空90~130千米處。美國匹茲堡磁緯高,就比在北京看到極光的機會大多了。2004年11月7日晚,較強極光出現在匹茲堡。 肉眼能看出綠色,紅色。2003年11月20日傍晚,極光出現在匹茲堡南方地平線,一小時後消退。半夜時又出現在北方低空。2003年10月30日出在匹茲堡的極光,雖然是在光污染嚴重的市內,但仍能看到紅色的光芒。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光,所以最佳的極光景象要在鄉間空曠地區才能觀察得到。美國的費爾班克斯一年有200多天能看到極光;而在佛羅裏達州,一年平均隻能見到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台的科學家發現,當該台觀測到極光的時候,地面上的羅盤的指針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,會受到地球磁場的作用。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的光的前面色不一樣。例如被激後發出綠光和紅光,氮被激後發出紫色的光,氬激後發出藍色的光,因而極光就顯得絢麗多彩,變幻無窮。

科學家已經了解到,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1,000個地球半徑長。由于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。因為電漿具"凍結"磁力線特徵,所以,太陽風粒子不能穿越地球磁場,而隻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。于是這些帶電粒子被加速,並沿磁力線運動。從極區向地球註入,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于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信息。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裏達州德國的中部及南部廣大地區也出現了極光。當夜,紅、藍、綠相間的光線布滿夜空中,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,在許多地區還造成了恐慌。據德國波鴻天文觀象台台長卡明斯基說,當夜德國萊茵地區以北的警察局和天文觀象台的電話不斷,有的人甚至懷疑又發生毒氣泄漏事件。這次極光現象被遠在160公裏高空的觀測太陽的宇宙飛行器ACE發現,並發出了預告。在台北時間4月7日凌晨零時三十分,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公裏提高到每秒600公裏,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。

其他的行星

木星和土星這兩顆行星都有比地球更強的磁場(木星在赤道的磁場強度是4.3高斯,相較之下地球隻有0.3高斯),而且兩者也都有強大的輻射帶。哈勃太空望遠鏡也很清楚的看見這兩顆行星的極光。在巨大氣體行星上的極光看起來與地球的相似,也是由太陽風提供能量,另外,木星的衛星,特別是埃歐,更是木星極光的能量來源。這些電流是沿著場線(場準直電流)涌生出的,肇因于衛星繞著行星公轉的相對運動,引起的發電機機製。有著火山活動電離層的埃歐,是帶電粒子的強力來源,從1955年開始就在研究由它的電流所發射出來的電波輻射。使用哈柏太空望遠鏡也在埃歐、歐羅巴和甘尼米德上觀測到極光,當木星磁氣圈的等離子撞擊到它們稀薄的大氣層時,就會產生極光。在金星火星上也曾觀測到極光。因為金星沒有內在(行星本身)的磁場,金星的極光呈現不同的形狀和強度,看起來是明亮但彌漫的補丁,有時會分布在整個行星的盤面。金星的極光源自太陽風的粒子撞擊和陷入在夜晚側的大氣層。在2004年8月14日,火星快車號上的儀器SPICAM檢測到火星的極光。這道極光位于erra Cimmeria,東經177°,南緯52°,輻射區域大約寬30公裏,高度在8公裏左右。經由分析包括火星全球探勘者號過去的地殼磁場異常資料,科學家發現輻射的地區是相對來說是區域性的局部磁場最強的地區。這種相關性顯示,電子是通過火星地殼的磁力線與被激發的大氣層移動。

歐洲天文台發表了在2000年11月拍攝到木星上極光的照片,和木星兩極上空的煙霧,這是科學家第一次清楚拍攝到木星兩極的情況。

木星(Jupiter)離地球(Earth)約六億一千萬公裏,過去,科學家曾經利用太空總署(NASA)的哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope),拍攝到木星極光(aurora)的照片,不過,使用南歐洲天文台(European Southern Observatory)的紅外線(infrared)望遠鏡,科學家可以更清楚地觀察到木星極光和北極上空的煙霧(haze)。

科學家指出,極光是環繞木星的磁軸(magnetic axis),而這些煙霧,是環繞著木星的旋轉軸(rotation axis),是在極光環之下;煙霧是受到木星上的地帶風(zonal winds)影響,這些地帶風是在同一緯度(latitude)上移動的;科學家相信,木星以十小時一次的迅速自轉,也會影響兩極上空煙霧的移動。

土星極光發射所做的一項新的研究,發現了一個二級極光卵形環(auroral oval),亮度是主極光卵形環的四分之一。主極光卵形環是十多年前首次在哈勃太空望遠鏡的圖像中看到的,此後其形態已被詳細確定,但關于其起源一直存在爭論。一種理論認為,它們是地球上所看到的極光卵形環(主要由與太陽風的相互作用形成)和木星上的極光卵形環(由與等離子流的相互作用形成)之間的一個混合結構。但土星二級極光卵形環的性質表明,它是木星主極光卵形環的一個弱對應體,它之所以相對較暗,是由于土星沒有一個像“木衛一”(有火山噴發活動)這樣的大型離子源。現在看來,土星和木星上的極光形成過程是非常相似的,其面板的差別是由比例尺差別造成的。

補充資料

極光是南北極地區特有的一種大氣發光現象。極光在東西方的神話傳說中都留下了美麗的身影,現代科學的發展,使人類能夠用理性的眼光看待極光,對它作出科學的解釋。

長期以來,極光的成因機理未能得到滿意的解釋。在相當長一段時間內,人們一直認為極光可能是由以下三種原因形成的。一種看法認為極光是地球外面燃起的大火,因為北極區臨近地球的邊緣,所以能看到這種大火。另一種看法認為,極光是紅日西沉以後,透射反照出來的輝光。還有一種看法認為,極地冰雪豐富,它們在白天吸收陽光,貯存起來,到夜晚釋放出來,便成了極光。總之,眾說紛紜,無一定論。直到20世紀60年代,將地面觀測結果與衛星和火箭探測到的資料結合起來研究,才逐步形成了極光的物理性描述。

人們認識到,極光一方面與地球高空大氣和地磁場的大規模相互作用有關,另一方面又與太陽噴發出來的高速帶電粒子流有關,這種粒子流通常稱為太陽風。由此可見,形成極光必不可少的條件是大氣、磁場和太陽風,缺一不可。具備這三個條件的太陽系其他行星,如木星水星,它們的周圍,也會產生極光,這已被實際觀察的事實所證明。

地磁場分布在地球周圍,被太陽風包裹著,形成一個棒槌狀的膠體,它的科學名稱叫做磁層。為了更形象化,我們打這樣一個比方。可以把磁層看成一個巨大無比的電視機顯像管,它將進入高空大氣的太陽風粒子流匯聚成束,聚焦到地磁的極區,極區大氣就是顯像管的熒光屏,極光則是電視螢幕上移動的圖像。但是,這裏的電視螢幕卻不是18英寸或24英寸,而是直徑為4000公裏的極區高空大氣。通常,地面上的觀眾,在某個地方隻能見到畫面的l/50。在電視顯像管中,電子束擊中電視螢幕,因為屏上塗有發光物質,會發射出光,顯示成圖像。同樣,來自空間的電子束,打入極區高空大氣層時,會激發大氣中的分子和原子,導致發光,人們便見到了極光的圖像顯示。在電視顯像管中,是一對電極和一個電磁鐵作用于電子束,產生並形成一種活動的圖像。在極光發生時,極光的顯示和運動則是由于粒子束受到磁層中電場和磁場變化的調製造成的。

極光不僅是個光學現象,而且是個無線電現象,可以用雷達進行探測研究,它還會輻射出某些無線電波。有人還說,極光能發出各種各樣的聲音。極光不僅是科學研究的重要課題,它還直接影響到無線電通信,長電纜通信,以及長的通路和電力傳送線等許多實用工程項目。極光還可以影響到氣候,影響生物學過程。當然,極光也還有許許多多沒有解開的謎。

人們知道極光至少已有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,因紐特人認為,極光是神靈為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。

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。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征色彩。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製尚示完全明了。 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公裏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。

科學家已經了解到,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1,000個地球半徑長。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

現年40歲的琳達-德雷克(Linda Drake)在過去的4年中拍攝了眾多美輪美奐的北極光圖片。每年她都會冒著零下20度的低溫來到加拿大馬尼托巴省,以期能捕捉到最精彩的極光圖片。如圖右

這項研究是由美國加州大學洛杉磯分校的安吉羅波洛斯主持,其研究結果已于2007年12月9日在“美國地球物理聯合會”的學術會議中發表。

北半球觀察到的極光稱北極光,南半球觀察到的極光稱南極光,經常出現的地方是在南北緯度67度附近的兩個環帶狀區域內,阿拉斯加費爾班克斯(Fairbanks)一年之中有超過200天的極光現象。

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