極光
(自然現(xiàn)象)
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極光,是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象,其發(fā)生是由于太陽帶電粒子流(
太陽風(fēng))進(jìn)入地球磁場,在地球南北兩極附近地區(qū)的高空,夜間出現(xiàn)的燦爛美麗的光輝。在南極被稱為
南極光,在北極被稱為
北極光。地球的極光是來自地球磁層或太陽的高能
帶電粒子流(太陽風(fēng))使高層大氣分子或
原子激發(fā)(或
電離)而產(chǎn)生。
極光常常出現(xiàn)于緯度靠近地磁極地區(qū)上空,一般呈帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,這些形狀有時穩(wěn)定有時作連續(xù)性變化。極光產(chǎn)生的條件有三個:大氣、
磁場、高能帶電粒子。這三者缺一不可。
中文名極光外文名Aurora,Aurora Borealis,Polar light形 狀帶狀、弧狀、幕狀、
放射狀等極光區(qū)離
磁極25°~30°的范圍條 件
大氣、
磁場、高能帶電粒子
根據(jù)關(guān)于極光分布情況的研究,極光區(qū)的形狀不是以
地磁極為中心的圓環(huán)狀,而是卵形。極光的光譜線范圍約為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。
大多數(shù)極光出現(xiàn)在地球上空90---130千米處。1959年,一次北極光所測得的高度是160千米,寬度超過4800千米。但有些極光要高得多,高度可達(dá)560---1000千米以上。
由于
地磁場的作用,
極光(20張)
這些高能粒子轉(zhuǎn)向極區(qū),所以極光常見于高磁緯地區(qū)。在大約離
磁極25°~30°的范圍內(nèi)常出現(xiàn)極光,這個區(qū)域稱為極光區(qū)。在地磁緯度45°~60°之間的區(qū)域稱為弱極光區(qū),地磁緯度低于45°的區(qū)域稱為微極光區(qū)。
按照極光的形態(tài)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。
按照極光觀測的電磁波波段,可分為光學(xué)極光、無線電極光等。
按激光激發(fā)粒子類型,可分為電子極光、質(zhì)子極光等。
按照極光發(fā)生區(qū)域,可分為極蓋極光、極光帶極光 、中緯極光紅弧等
極光出現(xiàn)于星球的高磁緯地區(qū)上空,是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。而地球的極光,來自地球
磁層和太陽的高能
帶電粒子流(
太陽風(fēng))使高層大氣分子或
原子激發(fā)(或
電離)而產(chǎn)生。極光產(chǎn)生的條件有三個:大氣、
磁場、高能帶電粒子。這三者缺一不可。極光不只在地球上出現(xiàn),太陽系內(nèi)的其他一些具有磁場的
行星上也有極光。[1]
極光一般只在南北兩極的高緯度地區(qū)出現(xiàn),但是2010年8月1日的太陽風(fēng)暴恰好面向地球爆發(fā),攜帶大量帶電粒子的太陽風(fēng)準(zhǔn)確無誤地“擊中”地球,與地球磁場相互作用產(chǎn)生“磁暴”,使美國密西密歇根州、丹麥和英國等緯度稍低的地區(qū)都能夠看到美麗的北極光景觀。專家稱,這一次的太陽風(fēng)暴并沒有像事先推測的那樣破壞全球的衛(wèi)星和電信系統(tǒng),卻給地球帶來一場壯麗的“焰火盛會”。[2]
早期觀點
許多世紀(jì)以來,這一直是人們猜測和
極光(5張)
探索的
天象之謎。從前,
愛斯基摩人以為那是鬼神引導(dǎo)死者
靈魂上天堂的火炬。13世紀(jì)時,人們則認(rèn)為那是
格陵蘭冰原反射的光。到了17世紀(jì),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(jìn)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。在太陽創(chuàng)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(fēng)”。太陽風(fēng)是太陽噴射出的帶電
粒子,是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電
亞原子顆粒流,因而屬于等離子態(tài)。太陽風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動,以大約每秒400公里的速度撞擊
地球磁場。地球
磁場形如漏斗,尖端對著地球的南北兩個
磁極,因此太陽發(fā)出的帶電粒子
極光
沿著
地磁場這個“
漏斗”沉降,進(jìn)入地球的
兩極地區(qū)。兩極的
高層大氣,受到
太陽風(fēng)的轟擊后會發(fā)出光芒,形成極光。在
南極地區(qū)形成的叫
南極光,在
北極地區(qū)形成的叫
北極光。
在過去,有些理論被用來解釋這種現(xiàn)象,但都已經(jīng)過時了:
1.本杰明·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(qū)強(qiáng)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(fā)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(dǎo)至極區(qū)。這個模型的問題包括本身缺乏在極區(qū)的極光、負(fù)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(jù);
3.破水桶理論:極光是溢流出的輻射帶,這是詹姆斯·
范艾倫和工作伙伴大約在1962年首先提出的。他們指出在輻射帶內(nèi)獲得的巨大能量很快就會在極光的漫射中耗盡。不久之后,很明顯地,陷在輻射帶內(nèi)的都是高能的帶正電離子,而在極光內(nèi)幾乎都是能量較低的電子;
4. 極光是
太陽風(fēng)中的粒子被地球的場線引導(dǎo)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(fēng)沒有直接的作用。另一方面,太陽風(fēng)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(yuǎn)低于極光的能量。
現(xiàn)代觀點
1890年,
挪威物理學(xué)家柏克蘭認(rèn)為,離地球1.5億千米的
極光
太陽幾乎連續(xù)不斷地向地球
放射物質(zhì)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(dāng)太陽的質(zhì)點直射這層
磁場而被擋住時,它便向地球四周擴(kuò)散,尋找鉆入的空隙,結(jié)果約有1%的質(zhì)點鉆入
北磁極附近的大氣層。每顆太陽質(zhì)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(gòu)成的分子相遇,
原子吸收了太陽質(zhì)點所含的一部分能量時,立即又將這能量釋放出來而產(chǎn)生極強(qiáng)的光,
氧發(fā)出綠色和紅色的光,氮則發(fā)出紫、藍(lán)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(xué)家正在對極光作深入的研究。人們看到的極光,
極光圖片
主要是
帶電粒子流中的電子造成的。而且,極光的顏色和強(qiáng)度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)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(jī)的電子束,地球大氣為電視屏幕,地球
磁場為電子束導(dǎo)向磁場??茖W(xué)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(jié)構(gòu),
地球磁場與
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(fā)電廠所產(chǎn)生電容量的總和相比。這種能量常常攪亂無線電和
雷達(dá)的信號。極光所產(chǎn)生的強(qiáng)力電流,也可以集結(jié)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(yán)重干擾,從而使某些地區(qū)暫時失去電力供應(yīng)。怎樣利用極光所產(chǎn)生的能量為人類造福,是當(dāng)今科學(xué)界的一項重要使命。
根據(jù)
美國國家航空航天局“瑟宓斯衛(wèi)星任務(wù)”(2007/12)(Themis mission)傳回的新數(shù)據(jù),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(xiàn),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碰撞,分別發(fā)出紅色和綠色光。瑟密斯衛(wèi)星任務(wù)的5個人造衛(wèi)星群于2007年2月成功發(fā)射升空,3月在
阿拉斯加和加拿大上空偵測到北極光出現(xiàn)兩小時,同一時間衛(wèi)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(fēng)暴以每分鐘650公里的速度掠過空中,威力相當(dāng)于
芮氏規(guī)模5.5級的地震。
科學(xué)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(chǎn)生的扭曲磁場,但這個理論一直到2010年5月才獲得證實。當(dāng)時瑟密斯任務(wù)的衛(wèi)星群從地球上空6萬多公里首度測到扭曲磁場的結(jié)構(gòu)。
產(chǎn)生原理
極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達(dá)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(dāng)他們進(jìn)入極地的高層大氣時,與大氣中的原子和
分子碰撞并激發(fā),產(chǎn)生光芒,形成極光。經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北緯度67度附近的兩個環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi),
阿拉斯加的費爾班(Fairbanks)一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象,因此被稱為“北極光首都”。所以極光只能在地球的南北極被看見。
地球磁層磁力線攜帶太陽風(fēng)的能量進(jìn)入地球內(nèi)部,進(jìn)而驅(qū)動了地磁場的形成。在這磁層磁
極光
力線閉合環(huán)路上除了有地球內(nèi)部的導(dǎo)電體之外,另外還有大氣層的
電離層-這一弱導(dǎo)電體。當(dāng)太陽風(fēng)強(qiáng)烈時,磁力線能量遇到地球內(nèi)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。