利用高中物理所学知识解释极光现象

齐文明

1.引言

极光（Aurora），是一种绚丽多彩的发光现象，其发生是由于太阳的高能带电粒子流（太阳风）进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。在北极被称为北极光，在南极被称为南极光。太阳光与地球大气的相互作用无时不刻的发生着。在日间，日光激发地球大气的原子、分子和离子，使它们激发或电离;到晚上，电子由高能级回到低能级，发射不同波长的光。此外，由于太阳给地球带来的不仅是光线，还有粒子。太阳风就是一种持续的粒子流，不但经过地球、其他行星，甚至最终到达太阳系外。不时发生的太阳耀斑、日冕物质抛射等现象，还会抛来高速的粒子，形成壮观的极光。地球的极光是太阳风使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。美丽的极光是太阳风、地球磁场和大气层共同作用的结果。太阳风中高能带电粒子的能量、数量和大气层中不同高度处不同原子、分子的特性直接决定着极光的颜色和强度。入射离子的能量高低决定了粒子能够冲入大气的深度。在不同的高度碰到不同种类的气体分子便会产生不同的颜色。极光的颜色有红、绿、蓝、紫等，绚丽多彩，大家并不一定亲眼见过极光，但在一些影像资料里都被极光的绚丽多彩所吸引。极光大多出现在地球南北两极附近，这是由于地球磁场的影响。本文拟通过高中物理所学的知识来解释极光为什么大多出现地球南北两极附近。

2.理论解释

想要解释极光出现在地球两极附近的原因，我们首先要来了解地球的磁场。地球磁场是地球周围空间分布的磁场，是地球生命的保护伞。我们可以把地球视为一个巨大的磁铁，其中地磁北极大致在地理南极附近，地磁南极则在地理北极附近。这两极所产生的球体磁场即为地球磁场。磁感线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的，两极附近则与地表垂直。赤道处磁场最弱，两极最强[1]，如图1所示。太阳风是高能带电粒子，进入地球磁场后，与大气层中的分子和原子发生碰撞，使之成为激发态的离子，并发射出不同波长的辐射。地球中性大气的粒子能量较低，而从宇宙空间来的能量较高的粒子会对它进行碰撞、激发。能量较高的粒子往往带电，带电粒子在磁场中要受力偏转，所以我們地球周围的磁场对我们是一个保护，把充斥在宇宙空间中、对我们人体有害的高能量粒子挡在外边[2]。太阳发射的带电粒子并不是直线行进的，它会在地球磁场作用下沿曲线轨迹移动。由于地球磁场的作用，大多数带电粒子会偏向地球两极，仅有少数高速粒子能够到达赤道上空的大气，这就如同是在地球周围搭起了一个隐形的保护罩。为什么大多数带电粒子会偏向地球两极呢？下面我们就用所学过的高中物理知识来解释。

我们在新课标高中物理选修3-1第三章磁场中学到[3]，运动的电荷在磁场中会受到洛伦兹力的作用。运动的带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力的方向，与运动方向和磁感应强度的方向都垂直，它的指向可以依照左手定则判定：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。如图2所示。负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。一般情况下，电荷量为q的粒子以速度v运动时，当电荷运动的速度方向与磁感应强度方向夹角为θ时，电荷所受的洛伦兹力为

F=qvBsinθ（1）

沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。

从地磁场的示意图1中我们可以观察到，在地球的赤道附近，磁感线的方向大致与地球表面平行，当太阳风进入地球赤道上方的大气层时，带电粒子由于受到洛伦兹力的作用而发生偏转，可以近似认为带电粒子做圆周运动，圆周的轨迹与地球赤道平面平行。太阳风由于受到了洛伦兹力的作用，这些粒子与大气层中分子、原子的电离并没有穿过大气层进去到我们的眼睛，所以在赤道附近的区域并不能看到极光现象。而在地球两极附近，由于地球的磁感线近似垂直于地球表面，带电粒子与磁感线的方向近似平行，可以用左手定则判断，这时带电粒子所受的洛伦兹力的大小近似等于零。换句话说，在地球两极附近，太阳风与大气层中粒子电离的粒子更容易穿越大气层到达地球表面，所以在地球两极附近更容易观察到极光现象。也就是说，激发极光的高能粒子需要沿着磁感线飞行，其所沿着的磁感线发源于南北两极附近的区域，所以极光更容易出现在南北两极附近的区域。这就是为什么在南北两极附近，我们更容易观察到美丽的极光现象。

3.结论

本文通过高中物理所学的知识-洛伦兹力解释了极光现象容易出现在地球两极附近的原因，解释的方法通俗易懂，思路清晰。极光现象是较为复杂的物理现象，现代的物理学家们仍旧对其的产生和形成进行着深入的研究。本文利用新课标高中物理选修3-1中磁场这一章中洛伦兹力的定义解释了极光出现在地球两极附近的原因，用较为简单的理论清晰的解释了极光现象的相关物理原因，为利用高中物理知识来解释天文现象提供参考。

参考文献

[1]田京祥，矿产资源，山东科学技术出版社，2013.

[2]韩金鹏，极光为什么出现在南北两极附近的圆形区域，中国航天报，2018年6月23日第004版.

[3]张维善，普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5，人民教育出版社，2018.