浅谈极光现象

浅谈极光现象物理系唐猛摘要：极光是自然界中最壮美的彩光现象，大多出现在地球南北两极高纬度地区，以及一些高纬度国家，如俄罗斯、挪威、加拿大等，那里平均每年出现极光的次数多达百次。本文简要介绍了地磁场，总结各种解释极光现象产生原因的观点，并提出自己的观点。关键词：极光、地磁场、产生原因一、引言极光是常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中的彩色发光现象。一般呈带状、弧状、幕状、放射状，这些形状有时稳定有时作连续性变化。出现在南极的称为南极光，在北极的称为北极光。极光多种多样，五彩缤纷，形态不一，有的像宽阔的幕帘，有的像舞动的游蛇，有的像跳跃的火焰，有的像四散的百褶裙，美丽非凡，摇曳生姿。极光绚丽多彩，变幻莫测，如同一个灵幻的精灵，把夜空装点得绮丽无比。在大约离磁极25°～30°的范围内常出现极光，这个区域称为极光区。在地磁纬度45°～60°之间的区域称为弱极光区，地磁纬度低于45°的区域称为微极光区。极光下边界的高度，离地面不到100公里，极大发光处的高度离地面约110公里左右，正常的最高边界为离地面300公里左右，在极端情况下可达1000公里以上。根据近年来关于极光分布情况的研究，极光区的形状不是以地磁极为中心的圆环状，而是卵形。极光的光谱线范围约为3100～6700埃，其中最重要的谱线是5577埃的氧原子绿线，称为极光绿线。二、正文1、地磁场早在北宋，沈括在他的《梦溪笔谈》中记载：“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也.。”“则能指南”说明地球周围有磁场,其磁场方向是大致南北方向的;“然常微偏东,不全南”说明磁石在地磁场中静止时的指向并不是正南正北方向,而是略微偏一些。现代科学使人们对地磁场有了更深刻的认识。科学研究表明,地球有两个磁极,各位于地理的南、北极附近,但并不与地理南、北极重合。在地理北极附近的地磁极是地磁南极,在地理南极附近的地磁极是地磁北极。通过两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，相对比较微弱。 地表上的地磁场强度并不均匀，强度因地理位置而有所变化：从0.3高斯（南美地区和南非）到0.6高斯（加拿大的磁北极附近，澳大利亚南部和一部分西伯利亚地区）。近地空间地磁场虽然强度较弱,但是它能延伸到很远的空间。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈。地球磁圈对地球而言有屏障太阳风（从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是电离氢和电离氦）所挟带的带电粒子的作用。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区（背日面）则向外伸出。此外，因为太阳风是一种等离子体，所以它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。地球磁层位于距大气层顶600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。在中性片两侧约10个地球半径的范围里，充满了密度较大的等离子体，这一区域称作等离子体片。由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为3～4个地球半径。2．极光2.1极光产生的原因2.1.1早期观点许多世纪以来，极光一直是人们猜测和探索的天象之谜。在一些民族的想象里，极光被赋予崇高的含义，比如爱斯基摩人就认它是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。由于科学知识的贫乏，在很长的时间里，人们对极光性质的解释近乎荒诞。一种看法认为，极光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火；另一种看法认为，极光是夕日西沉以后，透射反照出来的辉光；还有一种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到了夜晚释放出来，便成了极光。同时，有些理论被用来解释这种现象，但现在都已经过时了。　　1.本杰明•佛兰克林的理论：神奇的北极光是浓稠的带电粒子和极区强烈的雪和其他的湿气作用造成的。　　2.极光的电子来自太阳发射的光束。这是克利斯蒂安柏克兰在1900年提出的说法，她在实验室用真空室和磁化的地球模型，显示电子是如何被引导至极区。这个模型的问题包括本身缺乏在极区的极光、负电荷本身自行散射这些光束、而且在近期内仍然缺乏任何太空中的观测证据。　　3.破水桶理论：极光是溢流出的辐射带，这是詹姆斯范艾伦和工作伙伴大约在1962年首先提出的。他们指出在辐射带内获得的巨大能量很快就会在极光的漫射中耗尽。不久之后，很明显的陷在辐射带内的都是高能的带正电离子，而在极光内几乎都是能量较低的电子。　　2.1.2现代观点观点一极光是来自太阳活动区的带电高能粒子流闯人地球高层大气,和地球大气中的分子或原子碰撞而产生的放电过程。在地球磁场的作用下, 来自太阳活动的高能粒子运动到地球附近的时候就向地球的南北两个磁极方向靠近,因此,在地球磁极附近,磁纬65“一70的区域内,一年之中看见极光的次数较多。这是地面上观测极光条件最好的地区,是围绕地球南北磁极的两个圆环状地带,分别称之为南极光带和北极光带。当太阳风吹到地球上空，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的光的前面色不一样。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1,000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。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。观点二磁层亚暴发射的高速粒子流与大气原子冲撞是极光产生的真正原因。所谓“磁层亚暴”是地球磁层中巨大能量贮存和突然释放的瞬变活动，大约每天发生3－4次。亚暴每次释放的能量大约相当于一次中等地震的能量，这使得地球极区空间环境的剧烈变化。地球磁层磁力线携带太阳风的能量进入地球内部，进而驱动了地磁场的形成。在这磁层磁力线闭合环路上除了有地球内部的导电体之外，另外还有大气层的电离层-这一弱导电体。当太阳风强烈时，磁力线能量遇到地球内部的磁感抗，有许多能量消耗不掉，于是就在电离层处形成了极光。20世纪90年代，中国空间科学研究院曹晋滨博士应邀担任欧空局CLUSTER计划的合作科学家。在这个探测主要磁层的空间计划里，有同轨的4颗卫星搜集数据。经过深入的研究，曹晋滨的研究组得到以下数据：95％的磁层亚暴发射高速粒子流时，南北纬650到700的椭圆形带区域都出现了极光现象。由此可以确定，这些高速粒子流与大气原子冲撞才是极光产生的真正原因。2.2极光对地球的影响极光虽然美丽，但是在地球大气层中投下的能量，可以与全世界各国发电厂所产生电容量的总和相比。这种能量常常搅乱无线电和雷达的信号。极光所产生的强力电流，也可以集结在长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命。2.3其他行星上的极光　 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。哈勃太空望远镜也很清楚的看见这两颗行星的极光。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。使用哈柏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erraCimmeria，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．讨论与结论对于现代的观点一，一些科学家提出了质疑，他们通过观测发现，太阳风与大气原子冲撞后可以产生极光，但这种极光极其微弱，而且其沉降区主要在白天一侧，肉眼一般无法看到，并不是人们看到的极光的来源。而且，按照带电粒子撞击气体粒子形成极光理论，极光在极尖区应该是一个柱状体，而不应该是一个扁平环。总的来讲，极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关，另一方面又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有关。形成极光必不可少的条件是大气、磁场和太阳风，缺一不可。一、参考资料1．百度百科。2．维基百科。3．《地上天上看极光》，温学诗。4．《极光的色彩、形状与成因机制》，张之铸。5．《极光是如何产生的》，任建波，刘洪涛，王琳，（东北师范大学物理学院在读研究生，吉林长春130024）。6．《揭开极光之谜》，卢海生。7．《美丽的极光从何而来》，张明丽。8．《天幕奇观——极光》，雪霁。9．《中国科学家破解极光之谜》，新毅。10．《漫谈地磁场》，索鸿英。11．《浅谈地球磁场》，金仲辉(中国农业大学北京100094)。