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揭曉極光這一天象之謎:原來與太陽風暴有關

http://finance.sina.com   2018年09月09日 18:57   北京新浪網

  來源:中科院之聲

  在南北兩極附近地區的夜晚,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象,也是太陽風暴期間在地面唯一可以用肉眼看到的日地空間現象。極光越壯觀,往往標誌着太陽爆發越劇烈。

  神祕的極光

  極光是一種神祕的天象,自古以來爲人所矚目。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) “觸龍”下凡  (源自www.dekowizja.pl)

  人們所知最早的極光記錄於公元前2600年。在我國古書《河圖稽命徵》中說道:“附寶(黃帝的母親)見大電光繞北斗權星,照耀郊野,感而孕二十五月,而生黃帝軒轅於青邱。”在先秦古書《山海經》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”這一術語來源於拉丁文“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”這一名稱卻來源於羅馬神話中的織架女神“奧羅拉”(Aurora), 她掌管極光,代表旭日東昇前的黎明。那麼,如此美麗迷人的光輝是如何發出的呢?

 極光女神“厄俄斯”(但丁·加布里爾·羅塞蒂畫) 極光女神“厄俄斯”(但丁·加布里爾·羅塞蒂畫)

  極光是怎麼產生的?

  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。到達地球附近的粒子不斷撞擊地球磁場,並環繞地球流動。在太陽風的吹動下,地球磁場不再是對稱的,已經變成某種“流線型”。由於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”。當磁層出現擾動時,磁尾的帶電粒子被加速,沿磁力線運動,如流水般順着漏斗邊緣倒入“漏斗區”,並撞擊高層大氣中的氣體分子和原子,使後者被激發——退激而發光,於是便產生了這種“鬼怪之光”。

粒子沉降在兩極漏斗區(作者自畫)粒子沉降在兩極漏斗區(作者自畫)

  當太陽風暴發生時,磁層擾動變得劇烈起來,發生地磁暴。這時,就會激發出更多種顏色的單色光。這些光混合在一起,便出現了五顏六色、奇異壯觀的極光,就像五彩的霓虹燈一樣。

 極光的產生(作者自畫) 極光的產生(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粒子流匯聚成束,聚焦到地球的兩極地區。沉降粒子爲電視機的電子束,地球磁場爲電子束導向磁場,地球極區大氣爲熒光屏,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光(源自百度圖片) 電子束打擊熒光屏發光(源自百度圖片)

  極光與太陽風暴

  極光是迷人的。然而,在這美麗極光的背後,卻隱藏着許多潛在的威脅。實際上,極光的出現,伴隨着的是大量帶電粒子涌入地球的大氣層。極光越壯觀,往往意味着太陽風暴越厲害。

  在地磁平靜時期,地球兩個“漏斗區”沉降的粒子比較少,出現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亮的光環,這個環就叫做“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,因而處在午夜部分的極光卵顯得最寬最明亮。極光最經常出現的地方就是在這兩個卵狀區域內,分別稱作北極光區和南極光區。

平靜時的極光卵(源自美國SWPC網站)平靜時的極光卵(源自美國SWPC網站)

  平常能見到的大多數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(張建鬆攝)南極上空的綠色極光帶(張建鬆攝)
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)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)

  極光卵所包圍的內部區域是極蓋區,也就是最接近幷包圍南北極點的區域。在這個區域內,極光出現的機會反而要比緯度較低的極光區來得少。也就是說在南北極的核心地區,反而不容易觀看到極光。

  太陽風暴期間,會有數量更大的源自太陽的太陽風帶電粒子涌入到地球磁尾中。倒進地球“漏斗區”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衝入地球的大氣層中,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,也能有幸看到美麗的極光。

太陽風暴時的極光卵(圖片截自影片Discovery.Naked.Science.Solar.Storm)太陽風暴時的極光卵(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衝撞,就會發出不同顏色的光,導致極光顏色的多樣。比如,帶電粒子同氧原子碰撞就會激發出綠色或者紅色的光。巨量的粒子衝撞發生在廣袤的地球大氣層空間中,會導致極光形態的多樣,如雲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。

北歐拉普蘭德上空射線狀的燦爛極光芒(源自https://ecophiles.com/)北歐拉普蘭德上空射線狀的燦爛極光芒(源自https://ecophiles.com/)
冰島艾雅法拉火山上空的極光幔(源自美國MSNBC網站)冰島艾雅法拉火山上空的極光幔(源自美國MSNBC網站)
阿拉斯加上空的藍色極光片(源自www.mimski.com/)阿拉斯加上空的藍色極光片(源自www.mimski.com/)

  1859年8、9月間,爆發了歷史上最厲害的太陽風暴——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,一些人堅持認爲這是日光,並且開始準備早餐。”在紐約市,數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)美國阿卡迪亞國家公園上空的紅色極光(Michael Melford攝)

  極光的背後

  極光雖美,也只是太陽風暴的副產品,它帶來的危害更值得我們關注。越絢爛的極光對應着越強烈的地磁暴,從而會導致長距離輸電線路中產生強力電流,容易使整個電網範圍內的變壓器同時發生故障,使電力傳輸線受到嚴重干擾,從而導致某些地區暫時失去電力供應。1989年的強極光出現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)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,增加了衛星的空氣阻力,使衛星的高度降低,縮短了衛星的壽命。瞭解極光,對於瞭解地球外層空間結構、掌握空間天氣、減少太陽風暴對地球的影響以及保障飛行器在外層空間的安全等,都有着重要的意義。

  小彩蛋——看極光的好地方、好時間

  從極光的產生原理,可以看出看極光的好地方不在極區,而在極光卵區域。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爲主的北極光區;在南極洲附近的南極光區。其中,阿拉斯加的費爾班更贏得“北極光首都”的美稱。

費爾班上空的彩色極光(Jim Henderson攝)費爾班上空的彩色極光(Jim Henderson攝)

  我國最北端的漠河,地處北緯53度,但由於磁緯只有40多度,只有在發生比較強烈的地磁暴時,纔能有幸觀察到極光。

漠河上空的極光(黃桂林攝)漠河上空的極光(黃桂林攝)

  現在我們知道了地磁暴期間極光出現的可能性較大,那麼如何提前知道地磁暴的時間呢?根據中科院空間環境預報中心的預報經驗,地磁暴主要是由日冕物質拋射或冕洞高速流引起的。而日冕物質拋射到達地球的時間需要1-3天,冕洞高速流往往有27天的重現性週期,因此根據上述時間就能簡單地預判地磁暴的出現時間。

  簡單一點,可以訪問www.sepc.ac.cn網站提前查看未來三天地磁活動的預報狀況,以便儘早安排自己的極光旅程!

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