天地畫(huà)卷一一極光（下）

天地合作的畫(huà)卷

極光到底是如何產(chǎn)生的呢？先讓我們將視角轉(zhuǎn)向地球的內(nèi)部。我們腳下是地殼，再往下是地幔——這些區(qū)域都是堅(jiān)硬的巖石。我們繼續(xù)向下，在距離地面約2900～5100千米的地方，一切都變得不一樣了。這里是地球的外地核，組成這部分的主要物質(zhì)是熔化的鐵、鎳等金屬元素。從外地核再向內(nèi)，地球的內(nèi)地核里同樣充滿(mǎn)了鐵和鎳，只是難以想象的巨大壓力讓這些金屬再次變成了固態(tài)。也就是說(shuō)，我們的地球擁有一顆“鋼鐵之心”！

地球自轉(zhuǎn)，其實(shí)地核也在不停地旋轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)有科學(xué)理論，內(nèi)外地核中存在大量金屬離子和自由電子，由于外地核為液態(tài)、內(nèi)地核為固態(tài)，地球自轉(zhuǎn)過(guò)程中內(nèi)外地核的轉(zhuǎn)速不同，從而產(chǎn)生了定向的電流。根據(jù)電流磁效應(yīng)的原理——任何通有電流的導(dǎo)線(xiàn)，都可以在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，地球就產(chǎn)生了磁場(chǎng)。

地球結(jié)構(gòu)

磁場(chǎng)并不能被看到，但它對(duì)我們的影響卻不小。指南針是我們對(duì)地球磁場(chǎng)的應(yīng)用。很多動(dòng)物都會(huì)感受到磁場(chǎng)，并利用磁場(chǎng)導(dǎo)航。例如鴿子等鳥(niǎo)類(lèi)萬(wàn)里歸巢就是利用了磁場(chǎng)。如果地球磁場(chǎng)能被看見(jiàn)，它就像一個(gè)兩端向內(nèi)凹的無(wú)數(shù)層的洋蔥。

這和極光有什么關(guān)系呢？別著急，現(xiàn)在我們?cè)偬ь^看向天空，一顆耀眼的太陽(yáng)正懸掛在天邊。這顆距離我們1.5億千米遠(yuǎn)的恒星通過(guò)劇烈的核聚變給我們提供了光和熱，滋養(yǎng)著地球上的萬(wàn)物。但是太陽(yáng)產(chǎn)生的可不僅僅是光和熱，還有大量的帶電粒子，這些帶電粒子以200～800千米／秒的高速?zèng)_向宇宙空間。這些被太陽(yáng)拋向宇宙的物質(zhì)被稱(chēng)為太陽(yáng)風(fēng)。在太陽(yáng)輻射中，太陽(yáng)風(fēng)所占據(jù)的能量很小很小，但它幾十億年來(lái)從未間斷地吹拂著整個(gè)太陽(yáng)系，就成了描繪極光的“畫(huà)筆”。

我們?cè)賮?lái)欣賞一下這幅天地巨畫(huà)的創(chuàng)作過(guò)程：這些帶電粒子飛行了上億千米來(lái)到地球，并以大約400千米／秒的速度撞擊地球磁場(chǎng)，巨大的能量甚至?xí)淖兊厍虼艌?chǎng)的形態(tài)。而靠近南北極的帶電粒子會(huì)在地球南北極漏斗形的磁場(chǎng)引導(dǎo)下旋轉(zhuǎn)著向地球沉降。在地球磁場(chǎng)與太陽(yáng)風(fēng)不斷對(duì)抗的過(guò)程中，這些在南北極沉降向大氣的高能粒子與大氣中的粒子碰撞激發(fā)出新的光芒與色彩，這就是極光。從地球外觀察，極光像一個(gè)皇冠呈圓環(huán)帶狀分布在地球的南北極上空。這就是為什么極地高緯度地區(qū)是最常見(jiàn)到極光的地方。

在不同的高度，極光呈現(xiàn)出的顏色也不一樣。首先，處在地球上空200～400千米高度的氧原子與這些帶電粒子相遇的時(shí)候，會(huì)吸收這些天外來(lái)客的能量，而吸收不掉的那部分就會(huì)被快速釋放出來(lái)，形成紅色的光芒。由于這部分極光產(chǎn)生的高度很高，因此更容易被距離更遠(yuǎn)的中緯度地區(qū)的人們看到——也就是說(shuō)，在我國(guó)境內(nèi)見(jiàn)到的多是這樣的紅色極光。之后，這些帶電粒子降到200千米以下的高度，更頻繁的碰撞讓氧原子釋放出綠色的光芒，這也是我們?cè)诟鞣N視頻和照片中最常見(jiàn)到的極光顏色。這些帶電粒子繼續(xù)向下，在100千米左右高度與氮分子相遇，就會(huì)產(chǎn)生藍(lán)紫色的極光。

大氣中的粒子分布不均勻，太陽(yáng)風(fēng)也時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，加之這些帶電粒子在沉降的過(guò)程中形態(tài)也在發(fā)生改變，這就讓極光的形態(tài)千姿百態(tài)，還擁有明暗的變化和顏色的混合，顯得如夢(mèng)如幻。

現(xiàn)在你明白了吧？極光產(chǎn)生的全過(guò)程可以這樣來(lái)描繪：太陽(yáng)噴射出的高速帶電粒子就像是_支筆，在磁場(chǎng)的引導(dǎo)下，以太氣為紙，以大氣粒子被激發(fā)形成的各色光為顏料，繪制出天地壯闊的極光畫(huà)卷。

極光現(xiàn)象不是地球獨(dú)有的喲！強(qiáng)大的磁場(chǎng)、濃重的大氣甚至是太陽(yáng)風(fēng)猛烈的沖擊，也會(huì)讓其他行星產(chǎn)生極光。人們已經(jīng)在金星、木星、土星、天王星等行星上觀察到了極光或者類(lèi)似極光的現(xiàn)象。

保護(hù)地球的磁場(chǎng)

這幅畫(huà)卷除了美麗，還有重大的科學(xué)意義。其中的關(guān)鍵就是太陽(yáng)揮舞的這支“畫(huà)筆”。太陽(yáng)活動(dòng)有自己的變化周期——太約是11年。它比較活躍的時(shí)候，就會(huì)有更多物質(zhì)被拋射出來(lái)。而太陽(yáng)變得活躍的一個(gè)標(biāo)志就是太陽(yáng)耀斑——位于太陽(yáng)大氣中的—種強(qiáng)烈的能量和物質(zhì)的釋放。與此同時(shí)，日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象會(huì)將數(shù)億噸的物質(zhì)拋射到宇宙中。此時(shí)的太陽(yáng)風(fēng)會(huì)威力大增，就像是徐徐微風(fēng)突然轉(zhuǎn)變?yōu)榭耧L(fēng)大作，這些物質(zhì)與大氣粒子的碰撞也會(huì)更加劇烈，產(chǎn)生更明亮、范圍更大的極光現(xiàn)象，所以雖處于中緯度地區(qū)，我們?cè)趪?guó)內(nèi)也能看到極光。

這種“太陽(yáng)風(fēng)暴”會(huì)對(duì)太空中的人造衛(wèi)星、太空站、航天器產(chǎn)生危害，也會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生重大的影響——產(chǎn)生地磁暴，甚至?xí)?duì)地面上的電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此我們需要加強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)的觀察，既要觀測(cè)它的日常動(dòng)向，也要關(guān)注它的特殊變化。為此，我國(guó)于2021年發(fā)射了首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星一一羲和號(hào)。我國(guó)還開(kāi)啟了監(jiān)測(cè)太陽(yáng)的衛(wèi)星計(jì)劃一一夸父計(jì)劃，實(shí)施了空間天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，于2022年發(fā)射了首顆綜合性太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星一一夸父一號(hào)。這些都為我們能夠摸清太陽(yáng)的“脾氣”提供了巨大幫助。

說(shuō)到這里，極光的故事還沒(méi)有結(jié)束。難道太陽(yáng)的帶電粒子流與磁場(chǎng)的共舞僅僅就是在地球上繪成了一幅巨畫(huà)嗎？當(dāng)然不是。太陽(yáng)風(fēng)有著摧枯拉朽的力量，它的能量會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)帶走行星上的空氣，最終讓沒(méi)有大氣保護(hù)的行星變得一片荒涼。而磁場(chǎng)最重要的作用就是保護(hù)地球大氣免受這些帶電粒子流的侵襲。如果地球沒(méi)有磁場(chǎng)，那么結(jié)局很可能如同火星，只剩下一片荒原，生命的誕生與演化無(wú)從談起。所以說(shuō)，我們要感謝地球磁場(chǎng)，美麗的極光，其實(shí)也是地球磁場(chǎng)激烈抵御太陽(yáng)風(fēng)的戰(zhàn)場(chǎng)！