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極光(Polar light,aurora)是由於太陽帶電粒子(太陽風)進入地球磁場,在地球南北兩極附近地區的高空,夜間出現的燦爛美麗的光輝。在南極稱為南極光,在北極稱為北極光(Northern Lights)。

1 極光 -理論

極光南極浮冰區上的瑰麗極光

極光發現的歷史很早,《河圖稽命征》上說:「附寶(黃帝之母)見大電光繞北斗權星,照耀郊野,感而孕二十五月,而生黃帝軒轅於青邱。」這很可能是指極光。部份中國學者認為《山海經·大荒北經》中的燭龍是指極光,古人形容為「人面蛇身,赤色,身長千里,鐘山之神也。」。

1619年,伽利略以曙光女神奧羅拉(Aurora) 之名創造出aurora borealis 一詞。伽利略解釋極光是由反射從地球上上升蒸氣的太陽光。

極光最易出現的時期是春分和秋分兩個節氣來臨之前,且春秋兩季出現頻率更甚夏冬。但2007年美國國家航空航天局「THEMIS」任務的資料顯示,在春分和秋分兩節氣時地球位置與「磁索」交錯最甚,而非因四季交替影響才有此結果。另外,在太陽黑子多的時候,極光出現的頻率也大。

過去的理論

在過去,有些理論被用來解釋這種現象,但現在都已經過時了。

本傑明·富蘭克林(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。
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、而且在近期內仍然缺乏任何太空中的觀測證據。

極光極光

破水桶理論:極光是溢流出的輻射帶,這是詹姆斯范艾倫和工作夥伴大約在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,很明顯的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。

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,這適用於極光的尖點,但在間點之外,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,電子只有0.5eV,而在尖點上會上升至50-100eV,這仍然遠低於極光的能量。

現代的理論

根據美國國家航空航天局「瑟宓斯衛星任務」(2007/12)(Themis mission)傳回的新數據,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干扭曲的磁場,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,而地球的極光主要只有紅、綠二色是因為在熱成層的氮氣和氧原子被電子破撞,分別發出紅色和綠色光。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,其研究結果已於2007年12月9日在「美國地球物理聯合會」的學術會議中發表。

瑟密斯衛星任務的5個人造衛星群2007年2月成功發射升空,3月在阿拉斯加和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鐘650公里的速度掠過空中,威力相當於芮氏規模5.5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6萬多公里首度測到扭曲磁場的結構。

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。

在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,阿拉斯加的費爾班克斯(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」。

2 極光 -物理過程

極光北極光

地球始終側對太陽,但從外太空進入地球的高能帶電粒子並不會直接穿透地球磁層進入大氣,它們只能沿著地球的磁力線做螺旋運動,這樣大部分粒子就被輸送到兩極,與那裡的大氣分子碰撞,形成極光。在太空中能看到極光的頂部有著暗紅色的輝光,那是進入大氣邊緣的質子流捕獲自由電子變成氫原子時發出的Ha 線,波長656.3nm,進入到150公里處,便到了電離層,那裡大氣仍然十分稀薄,大量氧原子被激發到亞穩態,從而產生了禁戒躍遷,從1D能級跳到1S,發出波長為557.7nm的綠光,如果從3P跳到1D,則會發出波長為630和636.4nm的紅色雙線,這就構成了極光最常見的兩種顏色。

因為帶電粒子被束縛在磁力線上,所以極光不會遍布整個極區,而是集中在磁緯67度附近的環形區域中(以北極光為例,北極點附近的地磁南極在西半球,北緯79度,西經71度,所以在加拿大可見極光的緯度要比北歐諸國低了大約20度),這個區域又在強勁太陽風的衝擊下收縮成卵形(auroral oval)。通常在中低緯度地區是看不到極光的,但在太陽活動強烈的時候,地球磁場受到大量高能粒子的擾動,就有可能造成極光的猛烈爆發。

3 極光 -形態

極光北極光

極光按形態可分為:
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

按觀測的電磁波波段分為:
光學極光
無線電極光

按激發粒子類型可分為:
電子極光
質子極光

按發生區域可分為:
極光帶極光
極蓋極光
中緯極光紅弧

4 極光 -色彩

根據不完全的統計,目前(2012年)能分辨清楚的極光色調已達一百六十餘種。

光譜線

極光的光譜線範圍約為3100—6700埃,其中最重要的譜線是5577埃的氧原子綠線,稱為極光綠線。

5 極光 -出現區域

極光北極光

由於地磁場的作用,這些高能粒子轉向極區,所以極光常見於高磁緯地區。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,地磁緯度低於45°的區域稱為微極光區。 極光下邊界的高度,離地面不到100公里,極大發光處的高度約110公里左右,正常的最高邊界為300公里左右,在極端情況下可達1000公里以上。

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,但並不是說完全觀測不到極光。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。

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。1959年,一次北極光所測得的高度是160千米,寬度超過4800千米。

6 極光 -影響

冰島現壯觀極光 酷似外星人頭像漂浮空中冰島現壯觀極光 酷似外星人頭像漂浮空中

極光不僅是個光學現象,而且是無線電現象,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訊、長電纜通訊,以及長的管道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。

7 極光 -在其他的行星

極光極光

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,相較之下地球只有0.3高斯),而且兩者也都有強大的輻射帶。哈柏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(場准直電流)涌生出的,肇因於衛星繞著行星公轉的相對運動,引起的發電機機制。有著火山活動和電離層的埃歐,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。

在金星和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,看起來是明亮但瀰漫的補丁,有時會分佈在整個行星的盤面。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。這道極光位於erra Cimmeria,東經177°,南緯52°,輻射區域大約寬30公哩,高度在8公里左右。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。

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