极光探秘

□吴再丰 编译

极光探秘

□吴再丰 编译

极光围着磁极点的地区像光环那样显现。极光发电机的正极是早晨侧的磁层界面，负极是傍晚侧的磁层界面。那么，正负端子是怎样给极地的超高层大气提供电力的呢？

点缀极地夜空的极光，可谓是地球上所看到的最神秘的自然现象之一。

极光的英文名叫“aurora”。实际上，它出自罗马神话“曙光女神”的名字，古人相信赶走黑夜、引来黎明的是这个曙光女神。而在中世纪的欧洲，如果极光出现，却会被认为是不祥之兆；那时的人把两极中纬度地区天空上出现的那种极光现象与血腥联想在一起，并作为上帝发怒的征兆。

其实，极光不是天气现象，而是一种宇宙物理现象。从太阳飞来的所谓太阳风的带电粒子，会被地球磁场捕俘并加速，通过与超高层大气碰撞便形成了极光。在太阳活动高峰期，可大大提高观察大规模且有色彩变化的极光的可能性。预计今明两年将迎来太阳的高峰期，这将有利于对极光的深入研究。

地球是巨大的磁铁

首先对地磁纬度作一说明。在地球上的磁铁通常指南北，这是因为地球自身存在大的磁铁。1600年，英国物理学家威廉·吉尔伯特阐明地球周围有自南向北的磁力线包围，地磁的扩散即构成磁场。地球地磁与穿过地球中心的条形磁铁的磁场（偶极磁场）非常相似。假定地球中心有条形磁铁，那么其轴与自转轴偏离约11.5°。另外，条形磁铁的延长线碰到地表的点称“地磁极”。

地磁的南北两极与地球的南北两极不一致，而且位置也不固定。这是因为地球磁场每年都在变化，地磁极的位置也在变化。2005年，地磁北极在北纬79.7°，西经71.8°的格陵兰的西北部，地磁南极在南纬97.7°，东经108.2°的位置。即在北半球，地球的地磁极比自转轴更倾向于美国，在南半球更倾向于澳大利亚。

极光在夜里比白昼更活跃

地球上极光最常见的地方是在地磁纬度65～75°的面包圈状地区，该地区被称作“极光带”。极光带在北半球是从西伯利亚的北极海侧起经斯堪的纳维亚半岛以北，格陵兰的南端穿过哈德逊湾，再从加拿大的北部穿过阿拉斯加的正中这一地区。这一带有极光“银座”之称，据统计每年有200多天能见到极光。在南半球有同样的极光带，恰好是围着南极大陆转一圈。

但是，在某个瞬间，极光并不覆盖整个极光带。如果从数万千米上空的人造卫星拍摄实际的极光，就会发现极光并不是相对磁极成同心圆状分布。白天会偏向高纬度，晚上则偏向低纬度区域出现。这个区域被称作“极光椭圆”。极光沿着极光椭圆出现，但是清晰明亮的极光大多发生在半夜。极光在夜里比白天更趋活跃。

极光是放电现象

19世纪中叶，科学家觉得极光应该是太阳光线通过悬浮在极地大气中的小冰片被反射而出的发光现象，那么通过棱镜来看极光，理应看到像彩虹那样的七色光（连续光谱）。

有趣的是，我们知道极光不是连续光谱，而是由若干线谱和带谱构成。实验得知，将玻璃管抽成真空，加高电压会引起放电，残存在玻璃管内的空气会发光，那个光由线谱和带谱构成。所以，瑞典物理学家奥古斯特·罗姆认为，极光是“放电现象”。

让极光发光是电离层中的氧原子、氧分子、氮分子或它们的离子。如果这些粒子与具有非常大运动能量的数千电子伏特的电子碰撞，则提高了粒子内部的能量状态。因为这种状态是不稳定的，不久就回到原来能量的低稳定状态，那时会将多余的能量作为光子释放，被释放的能量由被碰撞的粒子的种类决定，这样就看到在特定波长的颜色上发光。

例如，最常见的浅绿色幕状极光是氧原子发出波长558纳米（1纳米是十亿分之一米）的光造成的。明亮幕状极光的下端也有在高度90～100千米被染成粉红色的，而这是由氮分子发出波长570～770纳米的光造成的。另外，引起大的磁暴时，在日本北海道等地会看到像火山喷发那样红的极光，则是氧原子发出波长630纳米的光形成的。

极光产自太阳的日冕

太阳的能量大体上分为三类：第一类几乎可以说是可见光的能量；第二类是对生物有害的紫外线或X射线，但这些射线已在对流层上面被大气吸收，几乎没有到达地表；第三类是等离子体。所谓“等离子体”，是原子完全电离为质子与电子的状态。导致极光发光的，就是那个等离子体流借助太阳风冲击地球之故。

从宇宙学中得知，当太阳被加热到100万开以上的高温时，这个太阳就又被称之为“日冕”。它被稀薄大气层包裹着。日冕慢慢地膨胀，最终变为秒速400千米以上的太阳风，刮过太阳系的空间。这个太阳风的能量只有可见光能量的百万分之一，其中每立方厘米只有10个带电粒子。但是那样的太阳风会对行星间空间或地球的电磁现象产生很大影响。

高峰期频繁引起爆发现象

太阳活动是否活跃，其最显著的标志表现在于黑子的数量上。太阳黑子数量按大约11年的周期增减，黑子多时被称为太阳活动旺盛的“高峰期”，反之称为“极小期”。

高峰期在黑子周边的强磁场储备了巨大的能量，造成磁场畸变。一旦能量释放，就频繁地发生被称之为“耀斑”的爆发现象。随着耀斑的爆发，超高温的等离子体便出现在日冕中。另外，电子或离子也被加速到接近光速，并一下子释放到行星间。

作为另一个爆发现象，“日冕气体抛射”（CME，即发生包含强磁场或高密度带电粒子的等离子体云）一边向太阳外侧上升一边急剧膨胀，成长到远远超过太阳本身大小。伴随耀斑或日冕气体抛射的太阳风，秒速达到1000千米，爆发后约两天到达地球。

如果CME与地球发生碰撞，则能剧烈摇晃地磁层，此刻就会出现极光。与此同时，也会出现大的磁暴，造成电波通信障碍。

极光发电机原理

在自然界有打雷等瞬间的放电现象，但极光是连续放电现象，所以必须要有供给电力的发电机。极光放电的电力达到10亿千瓦，几乎相当于美国一年的电力消耗量。一般的发电机，通过在磁场中快速运动使导电体产生电动势。在极光发电机担当导电体角色的是等离子体流的太阳风，人们将这样的发电称之为“磁流体（MHD）发电”。

由于带电粒子通过磁场的行进路线被弯曲，所以太阳风并不是直接撞上构成巨大磁铁的地球。太阳风刮到地球附近时，在地球周围制造空洞，可见地球磁场起到了守护地球免遭太阳风直击的屏障作用。我们将守护空洞的这个磁场称为“地球磁层”。地球磁层在太阳侧（昼侧）被太阳风压碎，在对侧（夜侧）构成像彗星那样拖着长长尾巴的形状，称为“磁层尾部”。这个闭磁层形成的理论是由1931年英国地球物理学家西德尼·查普曼提出的。

虽说地球磁场有被禁锢在磁层内的倾向，但因太阳风经常搬来太阳磁场，所以具有磁场。被磁化的等离子体流被刮到磁层的周围时，地球磁场没有完全被禁锢在磁层里面，从而使从磁层交界的极地出来的磁力线与太阳风的磁力线结合。人们将这个重接的磁力线称为“磁重接”。

导电体的太阳风，通过横穿这个被重接的磁力线产生电动势。这就是极光电动机的原理，即太阳风与地球磁场确实构成了自然的大发电站。从查普曼的理论到这个重要理论的改进整整用了30年，显示了科学的进步是多么不易啊。

20世纪60年代，人造卫星观测表明，磁层内部具有非常复杂的结构。最靠近地球的地方有以地球的电离层为源头的等离子体层，与此部分重叠的又被称之为“范·艾伦带”，它是充满高能粒子的辐射带。磁层尾部有被电离的热粒子塞满的“等离子体片”，储存着太阳风的能量。夜里引起频繁极光的粒子就是从这里沿着磁力线来的。

极光的放电电路

极光围着磁极点的地区像光环那样显现，这是因为极光放电电路像包围磁极点那样分布的缘故。极光发电机的正极是早晨侧的磁层界面，负极是傍晚侧的磁层界面。那么，正负端子是怎样给极地超高层大气提供电力的呢？

首先，我们发现在地球连接早晨侧磁层界面的磁力线分布在极地傍晚侧构成的半圆中，而傍晚侧磁层界面的磁力线分布在极地早晨侧构成的半圆中，电子在稀薄的等离子体中沿着磁力线盘成螺旋形那样运动，所以这些磁力线在极光放电时起到了看不见的“电线”的作用。即放电电流从磁层界面的正极流入极地早晨侧的电离层，横穿极冠（极光椭圆所包围的内侧部分）的电离层后，从电离层流向傍晚侧磁层界面的负极。这个被称之为第一个极光放电电路，也是极光在极地呈现环状的理由之一。但是实际的放电电路远比这个要复杂，刚才所述的电路在赤道侧也有一个。而在夜里频繁出现的极光放电电路则另当别论。

这个放电电流是靠沿着磁力线分布的电子来传输的。它的部分电子来自太阳风，也包含电离层的电子。需要注意的是，电流的流向与电子的运动方向相反。再者，由于放电电路是开放的，如果没有电离层，就不会引起极光放电。

地球的磁性正在减弱

通常，极光出现的纬度是由太阳风与地球磁场的平衡决定的。在太阳活动高峰期的2000年，当时极光带位于地磁纬度的45～50誘，这意味着极光椭圆扩大。在这样的状态下，即使在日本北海道也能见到极光。

但是，在极地所能看到的剧烈舞动的极光并未来到北海道。由于地球是圆的，在北海道只能好不容易才看到极光幕的上边部分，由于那部分红色居多，所以在北海道能见到的是靠近地平线隐隐约约的染成红色的极光。

自从十九世纪德国物理学家卡尔·高斯最早测定地磁强度以来，地球的磁力在百年间已降低5%，即每年以0.05%的比例降低。近30年通过卫星磁力测定发现，其减少率进一步提高，每年已达0.07%，如果照这样的比例降低，1200年后地球的磁力将变为零（地球磁场将发生逆转）。

倘以这个数据为基础，模拟千年后的极光带，那么极光将会在东北亚上空飞舞，届时我们不用去极地就能观赏极光了。