第二节　极光

第二节　极光

当人们在地处北极圈的美国阿拉斯加州小城费尔班克斯的冬夜中漫步时，有时候能在晴朗的夜空中看见一种奇异的光芒，这种光就像一条飘舞的长绸，越舞越急，越舞越宽;渐渐地，红色、绿色的闪光迸现出来。忽而整个天空变成一座绚丽多彩的舞台，有如仙女们手执彩色长绸翩翩起舞;忽而又像一位抽象派大师在那天穹的画布上泼撒着油彩。身在其中，就如同置身于童话世界。这就是北极极光。

极光，又称为北极光，早在我国古代就有了记载。从人们第一次看到极光以来，对这种美丽的景象就提出了许多疑问:极光究竟是什么?它为什么会动?为什么会不停地改变颜色?……千百年来，人们用丰富的想象力和智慧把这些问题编成了许多美丽的传说和动人的故事。直到21世纪，现代科学才对这些问题作出了科学的解释。

极光究竟是怎样产生的呢?让我们从太阳说起吧。太阳是由一团温度极高的炽热气体组成的，内部不停地进行着热核反应，释放出大量的能量。这些能量一类以各种波长的辐射形式放出，另一类释放出各种不同能量的粒子流，其中一部分称作“太阳风”。太阳风主要由电子和质子构成，它的速度通常是每秒几百千米，从太阳出发到达地球大约要3天的时间。我们知道，地球周围存在磁场，磁力线的形状就像在地磁轴上放一块条形磁铁那样，但是磁南极在地球北极，磁北极在地球南极。当太阳风中的电子到达地球附近时，就会被地磁场俘获，并沿着看不见的磁力线以螺旋状形式进入大气层。当电子到达地面以上约300千米的地方便开始撞击那里的氧分子和氮分子，氧分子被撞击激发而放出绿光，而激发的氮分子则放出红光。电子很小，它们在下降过程中会与分子撞击几百次，每撞击一个分子就发出一点点闪光，同时电子因损失能量而速度减慢。当到达80千米的高度时，电子的能量就丧失殆尽了。我们在地面看到的只是极光的一小部分，亿万个电子撞击出的闪光足以照亮整个天空。

极光的形成

极光一般发生在离地面100千米的高度，有几百千米长。它的精确高度是挪威科学家卡尔·史笃默在1910年首次测出的。史笃默实际上只是应用了最简单的三角原理，他和他的助手在相隔几千米的地方用电话联系，同时观测极光中的某个特殊点，并测出观测时的倾角。已知两人之间的距离，就可利用三角形原理估算出极光被测点的高度。

三角原理

有趣的是，在多数情况下，在北极和南极可以同时看到极光，而且它们的形状极为相似，运动方向也相同。在美国阿拉斯加大学地球物理研究所，我们可以看到在南、北极同时拍摄到的完全相同的极光照片。南、北极的极光之所以如此相似，是因为大量太阳风电子被地球磁场俘获后，是沿磁力线同时分别向南、北极运动的。

极光等值线

事实上，极光这种现象并非只有在极地才能看到，左图中所画的同心圆圈就是每年能看到极光平均次数的等值线。我们可以注意到，在美国中部平均一年有5个夜晚可以看到极光。但是，人们不会每夜都守在那里等待极光的出现，而且天空也不是每夜都晴朗无云，所以人们看到极光的次数比极光实际出现的次数要少得多。从左图中还可以看到，在加拿大和美国阿拉斯加中部每年平均可以见到243次极光，再向北看到的次数反而减少了。这与地球磁场的特点有关，在高纬度(一般大于70°磁纬)地区，地球磁场的磁力线不是像条形磁铁那样南北封闭的曲线，而是开放的、与行星际空间的磁场相连。我们常把看到极光次数最多的地区称做“极光区”。

如果站在北极上空向下看的话，极光区是穿过美国阿拉斯加、加拿大北部、格陵兰和冰岛南端、挪威北部海岸以及俄罗斯北端，形成一个椭圆形的带子，也称极光椭圆带，椭圆的中心就是磁极点。在南极地区也有一个极光椭圆带，它部分穿过南极大陆，部分在南太平洋上，其中心也是磁极点。但长久以来，由于南半球的非洲、南美洲、大洋洲离南极的极光区较远，南极光鲜为人知。直到1773年，英国著名探险家詹姆斯·库克船长才首次在南部海域看到南极光。

极光对人类活动具有实际意义。我们现在已经知道，当有强极光活动时，无线电和雷达信号会受到强烈的干扰，甚至可能中断。极光的放电常常会向在极区飞行的人造卫星发出虚假的命令信号，现在确知已有一颗人造卫星毁于这种虚假命令。此外，太阳强烈活动时，在极区伴随极光活动产生的强电磁扰动还会在输电线路中产生强电流冲击，严重的会损坏输电线路。

我们知道，宇宙中99.9%的物质是处于所谓的物质第四态——等离子体状态。等离子体是一种炽热的气体，高温使其中的原子或部分或全部地呈电离状态。等离子体是空间物理和天体物理的一个基本问题，而极光产生的等离子体离人类最近，是唯一能用火箭直接探测的天然等离子体。极光等离子体的研究，还有助于从事可控热核反应研究的科学家解决某些难题，为开辟一种更高效而又洁净的能源提供天然实验室。

极　光