题目

极光是怎么形成的?

提问时间：2021-01-09

答案

　　人们知道极光至少己有2000年了,因此极光一直是许多神话的主题.在中世纪早期,不少人相信,极光是骑马奔驰越过天空的勇士.在北极地区,纽因特人认为,极光是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的.随着科技的进步,极光的奥秘也越来越为我们所知,原来,这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品.
　　产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用.这种相互作用常发生在地球磁极周围区域.现在所知,作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时,被地球磁场俘获,并使其朝向磁极下落.它们与氧和氮的原子碰撞,击走电子,使之成为激发态的离子,这些离子发射不同波长的辐射,产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩.在太阳活动盛期,极光有时会延伸到中纬度地带,例如,在美国,南到北纬40度处还曾见过北极光.极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状.发光均匀的弧状极光是最稳定的外形,有时能存留几个小时而看不出明显变化.然而,大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化.弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显.极光最后都朝地极方向退去,辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区.造成极光动态变化的机制尚示完全明了.
　　在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中,有一种能量被称为“太阳风”.这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流,该太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场,磁场使该颗粒流偏向地磁极,从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应,形成极光.在南极地区形成的叫南极光.在北极地区同样可看到这一现象,一般称之为北极光.
　　大多数极光出现在地球上空90～130千米处.但有些极光要高得多.1959年,一次北极光所测得的高度是160千米,宽度超过4800千米.在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看极光,所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到.在加拿大的丘吉尔城,一年在有300个夜晚能见到极光；而在佛罗里达州,一年平均只能见到4次左右.我国最北端的漠河,也是观看极光的好地方.
　　18世纪中叶,瑞典一家地球物理观象台的科学家发现,当该台观测到极光的时候,地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化,变化范围有1度之多.与此同时,伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象.由此他们认为,极光的出现与地磁场的变化有关.原来,极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果.太阳风是太阳喷射出的带电粒子,当它吹到地球上空时,会受到地球磁场的作用.地球磁场形如漏斗,尖端对着地球的南北两个磁极,因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降,进入地球的两极地区.两极的高层大气,受到太阳风的轰击后会发出光芒,形成极光.高层大气是由多种气体组成的,不同元素的气体受轰击后所发出光的前面色不一样.例如氧被激后发出绿光和红光,氮被激后发出紫色的光,氩被激后发出蓝色的光,因而极光就显得绚丽多彩,变幻无穷.
　　科学家已经了解到,地球磁场并不是对称的.在太阳风的吹动下,它已经变成某种“流线型”.就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩,相反方向却拉出一条长长的、形似彗尾的地球磁尾.磁尾的长度至少有1000个地球半径长.由于与日地空间行星际磁场的偶合作用,变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区.因为等离子体具“冻结”磁力线特性,所以太阳风粒子不能穿越地球磁场,而只能通过极尖区进入地球磁尾.当太阳活动发生剧烈变化时(如耀斑爆发),常引起地球磁层亚暴.于是这些带电粒子被加速,并沿磁力线运动从极区向地球注入,这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子,使后者被激发—退激而发光.不同的分子,原子发生不同颜色的光,这些单色光混合在一起,就形成多姿多彩的极光.
　　事实上,人们看到的极光,主要是带电粒子流中的电子造成的.而且,极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量.用一个形象比喻,可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面.沉降粒子为电视机的电子束,地球大气为电视屏幕.地球磁场为电子束导向磁场.科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息.例如,通过极光光谱分析可以了解沉降粒子束来源、粒子种类、能量大小、地球磁尾的结构、地球磁场与行星磁场的相互作用,以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等.
　　极光的形成与太阳活动息息相关.逢到太阳活动极大年,可以看到比平常年更为壮观的极光景象.在许多以往看不到极光的纬度较低的地区,也能有幸看到极光.2000年4月6日晚,在欧洲和美洲大陆的北部,出现了极光景象.在地球北半球一般看不到极光的地区,甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光.当夜,红、蓝、绿相间的光线布满夜空中,场面极为壮观.