Astronomy Photos ByAcian

2013年10月25日

自然界的霓虹燈——極光

作者: CWC


        無意中讀了一篇文章(19831130 《北京晚報》):

        ……八點過後,突然在北方的天空出現一抹淡淡的光帶,離我很遠,幾分鐘後,它慢慢地消失了。一會兒,在方才出現光帶的附近,又出現一抹光帶,也是東西走向,在開始出現的一頭有個亮邊,似乎在變化,變亮。粗看整個光帶像中國書法那漫不經心的一抹,頭重尾輕。細看光帶中間有發亮的豎紋,在慢慢移動,也是十分鐘左右開始變暗。這兩次極光像是一段序曲,似乎告訴站在雪地裏的人不要走開,精彩的演出馬上就要開始。沒有想到它的到來是那麼驚心動魄,突然,幾乎就在頭頂上,一片宏大的光幕垂了下來,強烈的黃白色的光把地面灌木叢的影子都顯出來了。想像中從來沒有見過這樣的景色。刹時山坡的森林,地面的樓房,都顯得渺小了。它橫貫半個天空,看它遠處一端,好像直落地面。這個帶色的巨大光幕在慢慢地游動,一些細小的光束又在整個光帶內扭動,彎曲和漂移。大光帶一邊運動,一邊改變容貌,一會兒折疊起來,一會兒又展開,再一會兒分成了兩束。一束由一條像游龍似的光帶變成垂滿半個天空的卷曲的幕布,幕布下邊緣還像鑲了一個亮邊。在十分鐘內整個演出可以由左半個天空移到右半側,但是無論怎樣變化,它連成一體並不碎裂。整個過程歷時約20分鐘。隨後它慢慢變淡,消失,最後在夜空留下淡得幾乎看不出來的一片白色的殘跡……


沒錯,這正是一位目睹者,描述著神奇又令人陶醉的極光。沒看過極光的我,一直都嚮往著一睹它的風采,如今被它惟妙惟肖的描寫勾起了心思,很想目睹極光的容貌,探究極光的神奇。極光(Polar light)又被稱為歐若拉(Aurora),這是因為1961年,伽利略認為極光是被從地球上升的蒸汽反射的太陽光,所以以曙光女神歐若拉的名字命名極光。但是,極光真的是這樣形成的嗎?確實極光與太陽有關,但並不是被反射的太陽光。

雖然極光出現在地球的高空中,但其根源卻在遙遠的太陽身上。太陽內物質發生核反應的時候,除了釋放出大量的熱能和光能之外,還釋出大量高能帶電粒子,這些帶電粒子流便是太陽風(solar wind)。帶電粒子有帶正電荷和負電荷的,向四面八方散出。所以部分太陽風會奔向地球。而地球本身就是一個大磁石,周圍存在著磁場,當然有兩個磁極,北磁極在地理南極,而南磁極在地理北極。


從太陽奔來的高能電子流,在到達地球附近時,由於受地球磁場的影響,尤其受地球南,北兩個磁極的吸引,根據磁力學,這些帶電粒子紛紛奔向地球南,北極上空,形成若干扭曲的磁場。在離地球表面好十公里乃至上百公里的上空,空氣十分稀薄,大氣中的氣體分子和原子與密集的帶電粒子碰撞並激發(excitation),發出五顏六色的光,這就是極光。

極光的高度一般在離地面80公里以上,最高時可達上千公里。在那裡,氣體分子和原子密度較低,容易受到帶電粒子激發。由於不同氣體粒子的性質不同,激發時發出不同頻率的輻射,即不同顏色的光。常見的極光主要是紅色和綠色,這是因為空氣中的氮和氧原子被激發。原理就像我們日常所見的霓虹燈一樣,在不同燈泡裏充入不同稀有氣體,以至燈泡能發出不同顏色的光。
在北半球觀察到的極光稱為北極光,南半球觀察到則為南極光。為什麼說南北半球而不說南北極呢?其實除了在南北極可以觀察到極光,在高緯地區,甚至中緯地區也能觀察到,只是機會率比較低而已。因為緯度越高,帶電粒子的密度越高,越容易激發大氣中氣體分子和原子。

當然,如果太陽釋放出的太陽風是特別強烈的,中緯地區觀察到極光的可能性也會比較高的。科學家早已證實,太陽活動強烈程度是有週期性的,平均週期為11年左右。這可以透過觀察太陽黑子(sunspots)而知,太陽黑子越多,太陽活動就越強烈。每當太陽活動特別強烈,釋放出的帶電粒子也特別多,到時就有可能產生連中緯地區也能觀察到的極光。近年太陽活動似乎挺強烈的,極光也似乎更容易看見了。
同樣道理,在其他行星上也有極光的出現。例如木星和土星,這兩顆行星都有比地球更強的磁場,哈勃太空望遠鏡能很清楚地看見這兩顆行星的極光。
更有趣的是,可以聽見極光。當然,單單靠耳朵,大多數的普通人是不可能直接聽到極光的聲音的。有證據顯示,根據電聲傳導效應(electrophonic transduction),極光所釋放出的特低頻電波訊號,的確能經由一些周圍環境裏的換能體(transducer)被轉為聲波。所以,利用一個“特低頻接受機(VLF便能聽見極光了。

極光沒有固定的樣子,每次觀看都會有新奇的的感覺。極光,在夜色朦朧的天空中,彩色的光幕在慢慢地游動,時而彎曲,時而伸展,時而飄動,忽然變亮,忽然又變暗,色彩也有變化,絢麗多姿,變幻莫測……

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