邂逅極光女神“歐若拉”

李斌

“紅橙黃綠藍，美麗的歐若拉，愛就在心中，相信是永遠......” 當年張韶涵一首《歐若拉》唱遍大街小巷，讓我們對極光女神“歐若拉”產(chǎn)生了無限的神往。極光被視為自然界中最漂亮的奇觀之一，從古到今，吸引著無數(shù)人去探尋它的秘密，那么極光究竟是如何產(chǎn)生的？哪里是欣賞極光的最佳區(qū)域？極光的研究對未來人類發(fā)展有哪些重大意義？讓我們掀開“歐若拉”的神秘面紗，一起感受它的魅力吧！

分子和原子碰撞的奇幻花火

極光的產(chǎn)生，其實和老式的顯像管電視（CRT電視）的顯示原理極其相似，都是由具備一定能量的粒子（主要是電子）與屏幕上的發(fā)光材料碰撞而產(chǎn)生的一種發(fā)光現(xiàn)象。而與CRT電視機不同的是，極光的顯示器通常是高于地面100千米的高層大氣，而產(chǎn)生極光的能量粒子大部分是來自太陽而后又被地球地磁束縛和導引的電子。這些帶電的高能粒子與高層大氣中的分子和原子相互撞擊所產(chǎn)生的氣體發(fā)光現(xiàn)象就是極光。

?粒子碰撞的瞬間發(fā)出各種顏色的光

極光的顏色炫彩奪目，形態(tài)千變?nèi)f化。這又是如何形成的呢？

極光的色彩主要來源于地球大氣中的氮和氧。通常極光的譜線主要集中在于427.8納米（氮分子，藍色）、557.7納米（氧原子，綠色）和630.0納米（氧原子，紅色）。一般頂部的極光多呈現(xiàn)紅色，底部呈現(xiàn)綠色，而極光的藍色部分較弱，不易被肉眼看到。

極光按形態(tài)可以簡單分為分立式極光和彌散狀極光。分立式極光的發(fā)光強度較大，激發(fā)它的電子是經(jīng)過沿磁力線方向的亞穩(wěn)態(tài)電場的加速，電子流能通量密度較高，電子運動方向主要沿磁力線方向;而彌散狀極光，是由于磁層中電子受電磁波的散射或者磁場位形的變化影響，進入損失椎，從而到達電離層，這些電子雖然能量較高，但能通量密度并不很高，所以會造成范圍較大但亮度較弱的彌散狀極光。分立式極光與彌撒式極光并不是孤立存在的，經(jīng)常同時出現(xiàn)，有時會相互轉(zhuǎn)化。分立式極光與彌撒式極光之間的聯(lián)系也是極光物理學研究的課題之一。

最佳觀光區(qū)

——“極光卵”

極光是太陽風與地球磁場作用產(chǎn)生的結果，所以它在地球上出現(xiàn)的區(qū)域也與地磁息息相關，極光主要分布在以南北磁極為中心的橢圓形區(qū)域，這個區(qū)域被稱為“極光卵”。這個“極光卵”映射到地球磁場中就是地球偶極磁場的閉合磁力線與開放磁力線的邊界，這里也是磁層中能量和粒子向地球電離層傳輸?shù)闹饕ǖ?，也是地面上能看到極光的主要位置。

“極光卵”的大小與位置與磁暴強弱有直接關系，磁暴越強，“極光卵”的半徑越大，位置也越偏向低磁緯度地方，同時環(huán)形區(qū)域的寬度可能會增加，這也意味著低磁緯度地區(qū)看到極光的機會更大。由于地磁傾角的存在，地面上能觀測到極光的位置在不同的大陸板塊上有很大的差異。目前來說，由于北半球的磁極更加偏向北美大陸，因此北美的地磁緯度比亞歐大陸偏高，這意味著加拿大、美國北部更有機會觀測到極光，而在歐洲，人們不得不前往地理緯度更高的挪威、瑞典、芬蘭及俄羅斯的北部地區(qū)才能看到極光。對于南半球，由于“極光卵”所在的位置大部分處于南極大陸及南大洋上空，所以只有位于南極的科學考察站和澳大利亞、新西蘭的南部地區(qū)和島嶼以及南美洲和非洲最南部的少數(shù)地區(qū)才有機會看到極光。

?極光形成的原理圖

極光竟然是空間天氣“預報員”

極光的的魅力不僅僅在于它自身的絢麗光彩和變幻莫測，它還是空間天氣狀況的一種直接表現(xiàn)?？臻g天氣與我們?nèi)粘５牡孛嫣鞖庥泻艽蟛煌?，我們?nèi)粘５牡孛嫣鞖庵傅氖堑乇砀浇鼤霈F(xiàn)的風雨雷電，而空間天氣是航天活動中要考慮的空間環(huán)境。

空間天氣是整個日地空間環(huán)境狀態(tài)的變化，這種變化對于航天飛船和衛(wèi)星的發(fā)射、運行，深空探測開展等所有離開地球大氣層保護的各種活動都有十分重要的影響，而極光就是我們在地面上能夠?qū)崟r監(jiān)控空間環(huán)境變化的指示器。往往在地球磁場受到太陽風猛烈沖擊而引發(fā)地磁風暴的時候，南北極的極光就會異常的強烈，極光發(fā)生的范圍也會增大，極光的移動和旋轉(zhuǎn)也會明顯的增強。為了建立一個供航天活動的空間天氣預報，全球的科學家正在逐步建立起一個從太陽風爆發(fā)到地面各種效應的空間環(huán)境預報模型，但目前空間天氣預報水平與地面天氣預報還有很大差距，主要原因是無法在空間中布置像地面一樣密度的環(huán)境探測器。在現(xiàn)有的條件下，南北極開展的地面極光觀測就顯得尤其重要。目前，中國在南極中山站、泰山站以及北極的中-冰北極科學考察站、黃河站都部署了多譜段極光全天空成像儀，這些設備分別在南北極的極夜期間開展極光的分譜段觀測，能夠全面的記錄所在區(qū)域直徑600千米范圍天空中的極光情況。對極光的全面觀測將為人類建立高效準確空間天氣預報提供強有力的支持。

?太陽風引發(fā)地磁風暴時，南北極的極光會變得異常強烈

極區(qū)的天空是一個沒有邊際的舞臺，極光是這舞臺上永不落幕的表演，無時無刻不在向我們傳遞著來自遠方的消息，而這遠方或是地表以上6萬千米處太陽風與地磁場的糾纏與牽絆，亦或是1.5億千米處太陽耀斑的猛烈爆發(fā)。人類在這個蔚藍行星上繁衍的幾百萬年中，對北方苦寒之地上空時而閃現(xiàn)的紅綠色光芒經(jīng)歷了從恐懼到膜拜，從猜測到鉆研。直到今天，我們對極光的認知仍不足夠，隨著人類一步步地深入太空，在不遠的未來，極光或許會成為我們太空之旅的紅綠燈。為人類的探索發(fā)展指引方向，保駕護航。