在南北兩極附近地區(qū)的夜晚，偶爾可以看到幾條光帶橫跨天空，把黑暗的夜空照得一片光亮，這種壯麗動人的景象就是極光。極光是人們能看到的最美麗、最不可思議的自然現(xiàn)象，也是太陽風(fēng)暴期間在地面唯一可以用肉眼看到的日地空間現(xiàn)象。極光越壯觀，往往標志著太陽爆發(fā)越劇烈。
神秘的極光
極光是一種神秘的天象，自古以來為人所矚目。許多世紀以來，不同地方的人都有自己的極光記載和傳說。
“觸龍”下凡 (源自www.dekowizja.pl)
人們所知最早的極光記錄于公元前2600年。在我國古書《河圖稽命征》中說道：“附寶(黃帝的母親)見大電光繞北斗權(quán)星，照耀郊野，感而孕二十五月，而生黃帝軒轅于青邱。”在先秦古書《山海經(jīng)》中提到，極光是一位名叫“觸龍”的神仙，形貌如一條紅色的蛇：“人面蛇身，赤色，身長千里，鐘山之神也”。
“極光”這一術(shù)語來源于拉丁文“伊歐斯”這個詞。傳說“伊歐斯”是希臘神話中“黎明”的化身，是希臘神“泰坦”的女兒，太陽神和月亮女神的姐姐。“極光”這一名稱卻來源于羅馬神話中的織架女神“奧羅拉”(Aurora)， 她掌管極光，代表旭日東升前的黎明。那么，如此美麗迷人的光輝是如何發(fā)出的呢?
極光女神“厄俄斯”(但丁·加布里爾·羅塞蒂畫)
極光是怎么產(chǎn)生的？
極光這一天象之謎，直到最近這些年才逐漸有了合理的解釋。其實，這還要從這些光能的來源——太陽說起。從太陽上噴發(fā)出來的大量帶電粒子，以每秒幾百公里的速度吹向行星際空間，形成太陽風(fēng)。到達地球附近的粒子不斷撞擊地球磁場，并環(huán)繞地球流動。在太陽風(fēng)的吹動下，地球磁場不再是對稱的，已經(jīng)變成某種“流線型”。由于與行星際磁場的相互作用，變形的地球磁場的兩極外各形成一個磁力線集中的“漏斗區(qū)”。當(dāng)磁層出現(xiàn)擾動時，磁尾的帶電粒子被加速，沿磁力線運動，如流水般順著漏斗邊緣倒入“漏斗區(qū)”，并撞擊高層大氣中的氣體分子和原子，使后者被激發(fā)——退激而發(fā)光，于是便產(chǎn)生了這種“鬼怪之光”。
粒子沉降在兩極漏斗區(qū)(作者自畫)
當(dāng)太陽風(fēng)暴發(fā)生時，磁層擾動變得劇烈起來，發(fā)生地磁暴。這時，就會激發(fā)出更多種顏色的單色光。這些光混合在一起，便出現(xiàn)了五顏六色、奇異壯觀的極光，就像五彩的霓虹燈一樣。
極光的產(chǎn)生(作者自畫)
用一個形象的比喻，可以說極光活動就像地球磁層活動的實況電視畫面。地球磁層是一個巨大無比的電視機顯像管，將進入高空大氣的太陽風(fēng)粒子流匯聚成束，聚焦到地球的兩極地區(qū)。沉降粒子為電視機的電子束，地球磁場為電子束導(dǎo)向磁場，地球極區(qū)大氣為熒光屏，極光則是電視屏幕上移動的圖像。住在南北兩極地區(qū)的人們每天都可以收看到這天然的巨幅電視。
電子束打擊熒光屏發(fā)光(源自百度圖片)
極光與太陽風(fēng)暴
極光是迷人的。然而，在這美麗極光的背后，卻隱藏著許多潛在的威脅。實際上，極光的出現(xiàn)，伴隨著的是大量帶電粒子涌入地球的大氣層。極光越壯觀，往往意味著太陽風(fēng)暴越厲害。
在地磁平靜時期，地球兩個“漏斗區(qū)”沉降的粒子比較少，出現(xiàn)的極光也比較平淡無奇。如果我們乘坐宇宙飛船，跨越地球的南北極上空，從遙遠的太空向地球望去，就會見到圍繞地球磁極存在一個閃閃發(fā)亮的光環(huán)，這個環(huán)就叫做“極光卵”，大約在南北緯67度附近。來自磁尾的沉降粒子大部分沉降在午夜側(cè)，因而處在午夜部分的極光卵顯得最寬最明亮。極光最經(jīng)常出現(xiàn)的地方就是在這兩個卵狀區(qū)域內(nèi)，分別稱作北極光區(qū)和南極光區(qū)。
平靜時的極光卵(源自美國SWPC網(wǎng)站)
平常能見到的大多數(shù)極光是綠色的底邊整齊微微彎曲的圓弧狀的極光弧，或者是有彎扭褶皺的飄帶狀的極光帶。
南極上空的綠色極光帶(張建松攝)
國際空間站上拍到的猶如長蛇狀的北極光弧(源自：NASA / SPL/ BARCROFT MEDIA LTD)
極光卵所包圍的內(nèi)部區(qū)域是極蓋區(qū)，也就是最接近并包圍南北極點的區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)，極光出現(xiàn)的機會反而要比緯度較低的極光區(qū)來得少。也就是說在南北極的核心地區(qū)，反而不容易觀看到極光。
太陽風(fēng)暴期間，會有數(shù)量更大的源自太陽的太陽風(fēng)帶電粒子涌入到地球磁尾中。倒進地球“漏斗區(qū)”的粒子涓涓細流，這時候變成了奔瀉而下的粒子洪水。大量的不同能級的帶電粒子沖入地球的大氣層中，與更多的大氣成分如氮、氖、氦等分子或原子撞擊，產(chǎn)生各種各樣的極光。此時，南北極光卵會向低緯方向伸展，在許多以往看不到極光的地區(qū)，也能有幸看到美麗的極光。
太陽風(fēng)暴時的極光卵(圖片截自影片Discovery.Naked.Science.Solar.Storm)
不同種類的帶電粒子與各種各樣的氣體分子和原子沖撞，就會發(fā)出不同顏色的光，導(dǎo)致極光顏色的多樣。比如，帶電粒子同氧原子碰撞就會激發(fā)出綠色或者紅色的光。巨量的粒子沖撞發(fā)生在廣袤的地球大氣層空間中，會導(dǎo)致極光形態(tài)的多樣，如云朵一般的片朵狀的極光片、沿磁力線方向的射線狀的極光芒、面紗一樣均勻的帳幔狀的極光幔。
1859年8、9月間，爆發(fā)了歷史上最厲害的太陽風(fēng)暴——卡林頓事件。在這期間，北美洲、歐洲、亞洲、澳大利亞部分地區(qū)都觀測到了極光。在美國落基山脈，極光的亮度足以讓人看清常見的字體，一些人堅持認為這是日光，并且開始準備早餐。”在紐約市，數(shù)千人跑到大街上或屋頂上觀看他們多年從未見過的絢麗天空，紐約時報說：“人一輩子中僅能見到一次或兩次這樣的極光。”地處北緯23度的古巴哈瓦那的人們看到那晚天空鮮血般紅，像被大火映紅一樣。
美國阿卡迪亞國家公園上空的紅色極光(Michael Melford攝)
極光的背后
極光雖美，也只是太陽風(fēng)暴的副產(chǎn)品，它帶來的危害更值得我們關(guān)注。越絢爛的極光對應(yīng)著越強烈的地磁暴，從而會導(dǎo)致長距離輸電線路中產(chǎn)生強力電流，容易使整個電網(wǎng)范圍內(nèi)的變壓器同時發(fā)生故障，使電力傳輸線受到嚴重干擾，從而導(dǎo)致某些地區(qū)暫時失去電力供應(yīng)。1989年的強極光出現(xiàn)在加拿大魁北克上空，伴隨而來的地磁暴便使魁北克全省的供電系統(tǒng)癱瘓，600萬加拿大人長達9小時無電可用。
1989年魁北克大停電(截自影片Discovery.Naked.Science.Solar.Storm)
大量帶電粒子轟擊地球大氣，會影響電離層反射短波無線電的能力，使短波通訊受到干擾或中斷。另外，帶電粒子的轟擊加熱了地球高層大氣，使得大氣膨脹，增加了衛(wèi)星的空氣阻力，使衛(wèi)星的高度降低，縮短了衛(wèi)星的壽命。了解極光，對于了解地球外層空間結(jié)構(gòu)、掌握空間天氣、減少太陽風(fēng)暴對地球的影響以及保障飛行器在外層空間的安全等，都有著重要的意義。
小彩蛋——看極光的好地方、好時間
從極光的產(chǎn)生原理，可以看出看極光的好地方不在極區(qū)，而在極光卵區(qū)域。例如以阿拉斯加、北加拿大、西伯利亞、格陵蘭、冰島南端與挪威北海岸為主的北極光區(qū);在南極洲附近的南極光區(qū)。其中，阿拉斯加的費爾班更贏得“北極光首都”的美稱。
我國最北端的漠河，地處北緯53度，但由于磁緯只有40多度，只有在發(fā)生比較強烈的地磁暴時，才能有幸觀察到極光。
漠河上空的極光(黃桂林攝)
現(xiàn)在我們知道了地磁暴期間極光出現(xiàn)的可能性較大，那么如何提前知道地磁暴的時間呢?根據(jù)中科院空間環(huán)境預(yù)報中心的預(yù)報經(jīng)驗，地磁暴主要是由日冕物質(zhì)拋射或冕洞高速流引起的。而日冕物質(zhì)拋射到達地球的時間需要1-3天，冕洞高速流往往有27天的重現(xiàn)性周期，因此根據(jù)上述時間就能簡單地預(yù)判地磁暴的出現(xiàn)時間。
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