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极光是怎么形成的

关键词:地球 第谷 伽利略 奥罗拉 太阳系   发布时间:2019-10-09 08:00:01

极光(英语:Aurora)是在高纬度(北极和南极)的天空中,带电的高能粒子和高层大气(热层)中的原子碰撞造成的发光现象。带电粒子来自磁层和太阳风,在地球上,它们被地球的磁场带进大气层。大多数的极光发生在所谓的“极光带”[1][2],在观察上,这是在所有的经度上距离地磁极10°至20°,纬度宽约3°至6°的带状区域。太阳风受到地球的磁场导引直接进入大气层。当磁暴发生时,在较低的纬度也会出现极光。极光不只在地球上出现,太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光[3]

在英、法等许多西方语言中,人们遵照伽利略的习惯,直接用奥罗拉(Aurora)女神的名字来称呼极光现象。

历史回顾

古代观点

极光发现的历史很早,许多解释极光的迷信或过时的理论已经存在数百年了。

  • 《河图稽命征》上说:“附宝(黄帝之母)见大电光绕北斗权星,照耀郊野,感而孕二十五月,而生黄帝轩辕于青邱。”这很可能是指极光。
  • 塞内卡在他的第一本书《天问》(Naturales Quaestiones)中说极光是弥漫的,许多图绘是来自亚里斯多德;他将极光分类(当极光呈现环状或是天空中一个大洞的边缘,就称为井或"putei",看起来木桶的称为"pithaei","chasmata"与英文的chasm(鸿沟)有相同的字根,像胡须时称为"pogoniae",而像柏树时称为"cyparissae"),描述五花八门的颜色,并自行判断它们是在云的上方还是下方。他回忆说在台比留(公元14-37年的罗马皇帝)时代,在奥斯提亚安提卡(Ostia Antica)上出现了颜色非常红且强烈的极光,当地附近的驻军基于救火的职责所在,急驰到城市。
  • 古希腊探险家/地理学家皮西亚斯也曾提到极光。
  • 极光在历史上曾有不少的名称,克里族(北美洲的印地安人)称它们是“舞动的精灵”。在中世纪的欧洲,极光被视为来自神的标志[4]

近代以来科学概念与研究发展历史

极光是怎么形成的



克里斯蒂安·伯克兰根据前人已留意到的极光与电磁现象的联系,通过大量电磁学实验模拟,指出极光是太阳向地球抛射带电粒子流所引起的。但限于当时的技术水平限制,他无法获得来自外层空间的探测数据以直接验证自己所提出的机理就是极光发生的主因。伯克兰等人还曾假设地球磁场可俘获大量空间粒子。


詹姆斯·范·艾伦在分析航天器所采集的数据时,意外发现了可印证地球磁场已俘获大量空间粒子的证据。俘获大量空间粒子的区域现在被称作“范艾伦辐射带”。范艾伦辐射带属于地球磁层的一部分,并位于靠内部的位置。


乔安·费曼通过分析航天器所采集的数据,进一步确认了极光的产生就是太阳风与地球磁场发生作用的结果(大量高能粒子撞击而发光的现象会集中发生在范艾伦辐射带中),并提出了可估算宇宙空间中高能离子流强度的计算模型。小时候带她第一次欣赏极光的人正是她的哥哥理查·费曼。

  • 1619年,伽利略以罗马神话的曙光女神奥罗拉(Aurora)之名创造出"aurora borealis"一词。伽利略解释极光是由反射从地球上上升蒸气的太阳光。法国数学家皮埃尔·伽桑狄在1621年以希腊语的北风称之为"Boreas"[5]
  • 沃尔特·威廉·布赖恩特在他的书《开普勒》(1920)一书中写第谷·布拉赫“认为顺势疗法医师似乎有什么东西,他怀疑是硫,治愈了北极光的硫磺蒸气带来的传染性疾病”[6]
  • 1741年,欧罗夫·休尔特和安德斯·摄尔修斯观测到出现在头顶上方的极光,并描述为受到磁场控制。这表示(以后获得证实)大电流会与极光有所关联,流出的区域就是极光的源头。
  • 本杰明·富兰克林认为“神秘的北极光”是北极地区被水和其它的湿气增强了浓度而强化的带电粒子[7]
  • 19世纪中后期,伊莱亚斯·罗密士(1860)和稍晚的赫尔曼·费茨(Hermann Fritz, 1881)[8]先后详细叙述极光与磁场的关系。
  • 1882年,特隆欧尔(S. Tromholt)[9]确定极光主要出现在围绕地球磁极约2,500公里半径的环形"极光带"。在距离磁极约2,000公里的地理北极则几乎不曾出现过极光。暂态分布的极光("极光椭圆")[1][2]) 则稍有不同,中心会由磁极向夜侧偏移3-5度,所以当磁极位于太阳和观测者之间对齐时,毫无疑问的极光弧在子夜会最偏向赤道的方向。这也是观赏极光最佳的时段,称为磁性子夜。,
  • 1896年,克里斯蒂安·伯克兰提出极光起因于来自太阳所发射的带电粒子束。他在真空室中放入一个磁化的球(代表微型地球的"terrellas"球),以电子射束进行实验,表明电子将被引导至极区。这个模型的问题是极光本身没有极性,还有更多负电荷本身的自我分散性等,并且缺乏任何在太空中的观测证据。极光是太阳风粒子受到地球磁场的导引,在地球大气层顶的高处产生。这对极光尖点是正确的,但是在尖点之外,太阳风并未直接接近。此外,太阳风的能量主要是驻留在正离子,电子只有0.5Ev(电子伏特),而在尖点虽然会升高至50-100eV,但依然没有达到极光的能量。[10]
  • 1908年,克里斯蒂安·伯克兰[11]推论电流是沿着东西方向的极光弧流动的,流向是从白天侧朝向(大致)子夜,后来被称为"极光电流"(参见伯克兰电流)。
  • 约在1962年时,詹姆斯·范·艾伦及其同事提出“漏桶理论”,认为极光是从范艾伦辐射带溢出的,以反驳极光的高能量散逸会很快地耗尽辐射带。不久之后,事实显示被困在辐射带中大份都是带正电的离子,而极光中的粒子几乎都是相对能量较低的电子。
  • 1970年代,美国天体物理学家琼·费曼推论极光是地球磁层和太阳风发生相互作用的产物[12]。她的工作结果来自“探险家33号”("Explorer 33")太空船搜集的资料[13]
  • 2007年2月,美国国家航空航天局“西蜜斯卫星任务”("THEMIS")的5个人造卫星群成功发射升空。3月在阿拉斯加和加拿大上空侦测到北极光出现两小时,同一时间卫星也侦测到带电粒子流接触到北极磁场,并首度测到扭曲磁场的结构。美国加州大学洛杉矶分校的安吉罗波洛斯根据卫星传回的数据推断:太阳释放的带电粒子像一道气流飞向地球,碰到北极上空磁场时又形成若干扭曲的磁场,带电粒子的能量在瞬间释放,以灿烂眩目的北极光形式呈现。其研究结果已于2007年12月9日在“美国地球物理联合会”的学术会议中发表。
  • 2008年2月26日,西蜜斯探测器得以确定,这是第一次,启动磁层副暴的触发器[14]距离三分之一处,测量的事件显示磁[15][16]

原理和机制

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参见:太阳风

极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气(>80km)时,与大气中的原子和分子碰撞并激发,能量释放产生的光芒形成围绕着磁极的大圆圈,即极光。[17]

极光最易出现的时期是春分和秋分两个节气来临之前,且春秋两季出现频率更甚夏冬。这是因为在春分和秋分两节气时地球位置与“磁索”交错最甚。[18]另外,在太阳黑子多的时候或当太阳周期在日冕大量抛射增加和太阳风强度增强的阶段时,极光出现的频率和亮度也会增加[19]

观测区域

在北半球观察到的极光称北极光,南半球观察到的极光称南极光,经常出现的地方是在南北纬度67度附近的两个环带状区域内,阿拉斯加的费尔班克斯一年之中有超过200天的极光现象,因此被称为“北极光首都”。而冰岛由于整个国家都在极光带上[20],也是北半球受欢迎的观测极光地点。南极光与北极光是同时变化的(可视为北极光的镜像)[21]。在高纬度的南美洲、澳大利亚、新西兰和南极洲可以看见南极光。


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形态和颜色

通常极光出现时,是呈现弥漫性的发光或"窗帘",大致向东西方向扩展。有些时候,它们形成"静态弧",其它的"活跃极光"则会不停的变化,不断的改变形态。每一个帘幕由许多平行的光线组成,每一条光线都内衬著当地的磁场线,暗示极光的形状受到地球磁场的约制。事实上,卫星显示电子循着磁场线,朝向地球方向螺旋著移动。

与窗帘相似,但皱折更为强烈的被称为"条状(striations)";当磁场线导引明亮的极光在观赏著的上方绽放,则可能呈现"冕状"或发散的辐射状,这是透视造成的效果。


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卡尔加里上空的极光。

地球的极光主要有红、绿二色是因为在热成层的氮和氧原子被电子激发,分别发出红色和绿色光。

氧的辐射:绿色或褐红色,具体取决于所吸收的能量。

氮的辐射:蓝色或紫色;如果收回一颗被电离的电子会辐射出蓝色;从激发态回到基态是红色。

氧回到基态是不寻常的:它可以在0.75秒辐射出绿光,但要长达两分钟的时间才能辐射出红光。与其它原子或分子的碰撞会吸收激发的能量,并阻止辐射。因为在大气层的最顶端,氧含量有较高的百分比,但碰撞是稀稀落落的,所以氧有足够的时间辐射出红光。下降到较低层,碰撞的频率变得频繁起来,就没有足够的时间释放出红光,最终,连绿光都因为碰撞过于频繁也被阻止了

这就是为何在不同的高度会辐射出不同的颜色;在最高处,由氧的红光主导,然后是氧的绿光和氮的蓝光与红光,最后只有氮的蓝光与红光,而碰撞阻止了氧辐射出任何的光线。绿色是极光中最常见的颜色,在它的后方(上方)是粉红色,混合著浅绿色和红色,紧接着是纯红色、黄色(红色和绿色的混合),最后是纯蓝色。

  • 红色:出现在最高处,是激发的氧原子辐射出630纳米的电磁波,原子的低浓度和眼睛对此波长的低灵敏度,使这种颜色只有在太阳活动强烈的情况下才能被看见。低的氧原子数量和逐渐降低的浓度使它们非常微弱,通常只能在帘幕状极光的顶端部分看见。
  • 绿色:在较低的高度,较频繁的碰撞支撑了氧在557.7纳米的辐射;相当高的氧原子浓度和眼睛对绿色的光较敏感,使绿色的极光最为常见。激发的氮分子(由于N2的高度稳定,氮原子非常罕见)在这儿发挥了作用,在碰撞中可以将能量转移给氧原子,然后氧会释放出绿光(红光和绿光的混合可以产生黄色光或粉红色的光)。氧原子的浓度在100公里的高度迅速的降低,使得极光帘幕的底部在这个高度上突然的结束。
  • 黄色粉红色是红色和绿色混合的结果。
  • 蓝色:在低海拔处,氧原子的数量越来越少,电离的氮分子取而代之成为发出可见光的主体。它发出的是波长是大量分布在红色和蓝色,并以428毫微米(蓝色)为主要的谱线。蓝色和紫色的发射通常出现在帘幕的底端,显示太阳的活动非常活跃[22]



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主要是红色的极光。

极光的分类

极光[23]依性质可分为扩散极光和分立极光两种类型。即使在黑暗的天空中,肉眼可能还是看不见扩散极光散发出弥漫在天空中的微光和形状,但它定义出了极光带的范围。分立极光是在几乎看不见的扩散极光中能够明确看出形状的部分,肉眼很容易就能看见它们,最亮时的亮度足以在夜晚阅读书报。但分立极光还是只能在夜空中被看见,因为它的亮度还不足以在阳光下呈现。极光在极光带中出现时通常是弥漫性的光斑或弧形[24],且通常是在裸眼可见的程度之下。分立极光通常会显示出磁场线或像帘幕状的结构,最常见的是绿色的萤光,并且可以在数秒钟内发生变化,或是几个小时光度都不变。

其他分类:

  • 极光按形态可分为匀光弧极光、射线式光柱极光、射线式光弧光带极光、帘幕状极光和极光冕。
  • 按观测的电磁波波段分为光学极光和无线电极光。
  • 按激发粒子类型可分为电子极光和质子极光。
  • 按发生区域可分为极光带极光、极盖极光和中纬极光红弧。

现代潮流引导与推荐比照气象学来区分极光的现象,但尚未被完全认同[25]

其他行星上


在部分土星北半球高处出现的极光。影像是由卡西尼号拍摄的,一段影片显示出在81小时的土星观测影像中,也看到了土星的极光。

极光也会发生在其它行星上,与地球一样,它们也出现在行星磁极的附近。木星和土星这两颗行星都有比地球更强的磁场(木星在赤道的磁场强度是4.3高斯,相较之下地球只有0.3高斯),而且两者也都有强大的辐射带。哈伯太空望远镜也很清楚的看见这两颗行星的极光[3]

在巨大气体行星上的极光看起来与地球的相似,也是由太阳风提供能量,另外,木星的卫星,特别是埃欧,更是木星极光的能量来源。这些电流是沿着场线(场准直电流)涌生出的,肇因于卫星绕着行星公转的相对运动,引起的发电机机制。有着火山活动和电离层的埃欧,是带电粒子的强力来源,从1955年开始就在研究由它的电流所发射出来的电波辐射。使用哈伯太空望远镜也在埃欧、欧罗巴和甘尼米德上观测到极光,当木星磁气圈的等离子撞击到它们稀薄的大气层时,就会产生极光。

在金星和火星上也曾观测到极光。因为金星没有内在(行星本身)的磁场,金星的极光呈现不同的形状和强度,看起来是明亮但弥漫的补丁,有时会分布在整个行星的盘面。金星的极光源自太阳风的粒子撞击和陷入在夜晚侧的大气层。在2004年8月14日,火星快车号上的仪器SPICAM检测到火星的极光。这道极光位于辛梅利亚高地,东经177°,南纬52°,辐射区域大约宽30公里,高度在8公里左右。经由分析包括火星全球探勘者号过去的地壳磁场异常资料,科学家发现辐射的地区是相对来说是区域性的局部磁场最强的地区。这种相关性显示,电子是通过火星地壳的磁力线与被激发的大气层移动[3][26]

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