从剖释与极光有关几个未解的特性从而揭示极光形成的内在机理的研究

杨益文

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在地球上看到极光是令人敬畏的,但从太空中看到极光却是一个传奇。探索极光的奥秘与学问,引起人们的极大的关注。人们对极光的观察与探索巳有几千年的历史。

有人从地球磁层的角度去研究极光。地球磁层把地球紧紧包住,使地球不受很大的太阳风辐射粒子的侵袭。可是这张“保护网”在南北极上空就不如别的地方密实,这里有许多大的“间隙”,一部分太阳风辐射粒子就乘机进入地球磁层地球磁场形如漏斗,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。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,很明显地,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,以上观点均没有完满的解释极光形成的真实原因以及极光的几个外在的特征:如为什么极光所形成区域是两极上空形成一个椭圆卵型中空光环(极光区);以及极光出现时的不规则,时有时无随时变化而难以捉摸的形态;且光幕均为离开地面几千米至上百千米不等的高空;并经常伴随着一些至今未为人们知晓的怪声等一系列未解之谜。故,如要揭开极光形成的内在机理揭开极光神秘的面纱,必须要解释上面所表述的几个与极光本为一体不可分割的问题…!透过现象看本质,从而解读极光形成的内在机理。从外太空或卫星上看地球或太阳糸其他有极光的行星,如木星或土星,发现其极光的位置均在两极且均为一个中空的椭圆卵型光圈,我们称之为极光区。如根据以往的理论。两极如漏斗,带电粒子流(太阳风)顺着地球的磁力线进入,那么该区因有着密集的磁力线与密集的带电粒子流(太阳风)光束。那么使两极大气层的气体氧与氮发生电离产生能级跃迁放出不同光谱色彩的光子所形成的极光,就应如一束均匀桓久永在不变的光柱或光幕,并在两极应是相同镜像般的出现。但根据人们许多年的实际观测,两极所产生的极光是毫无相同可言,极光的出现时亦是时有时无没有任何可以预测的规律,而在高空出现的光幕亦是千奇百变令人无法捉摸的景象,呈现带状、弧状、幕状、放射状,这些形状有时稳定有时作连续性变化的,而是呈中空椭圆如卵形的光圈。另外,根据破水桶理论所言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,根据经典物理学理论,电子的能级仅为0.5ev,这样低能级的电子是不可能使大气层气体电离。故,探索极光成因的奥秘必需要从地球基本物理特性去分析。地球的内在磁场其磁力线在地球的外部空间形成一张致密的磁网,称之磁层。当太阳上发岀的带电粒子流(太阳风)到达地球上空进入磁层时由于洛仑兹力效应,使带电粒子流产生偏转,环绕地球作高速圆周运动。根据右手定则原理,这高速环绕地球运动的带电粒子流感生出一个与地球磁场极性相反叠加在地磁场之上,两极性相反又叠加在一起磁场必发生作用力与力矩。在两磁场相互作用区域,两磁场強度互相抵消湮灭产生“磁重联效应”或磁力线重联。磁重联是天体物理中一种非常重要的快速能量释放过程,也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。普遍认为太阳上的能量释放就是磁重联导致的。磁重联,取描述磁力线“断开”(break)再“重新连接”(reconnect)的物理过程的意思。磁重联是科学家迄今知之甚少的神秘领域之一,2016年6月21日,中国天文学家首次观测到了太阳上一个全新物理现象——磁重联可以释放“磁纽缠”,当磁结构的纽缠达到一定程度时,开始爆发并释放出能量。故,由此可见,当地球的两极两个极性相反两磁场猛力叠加,两磁场磁能湮灭,进而磁结构产生了一个全新的物理现象-磁重联。磁重联可以释放磁纽缠,磁能转化为非常重要的快速能量释放过程,也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。因磁重联快速所释放的磁纽缠爆发而释放的动能增加了带电粒子流(太阳风)电离大气层各种气体的能量,使之成为绚丽多彩各种光谱色彩的带电的等离子体。由于这些等离子是带电的,它们的运动轨迹即为电子的运动轨迹。根据“趋肤效应”原理,这些等离子体集中分佈于等离子束的外围,再者地极两则必竟不是理想状态的导体,以及太阳风辐射压的作用,在地球两极即各形成了一个中空近乎椭圆卵形的光圈(人称极光区)。从而可以看出极光的形成与太阳高能带电粒子流(太阳风)、地球磁层以及由此产生的电离层(或作范艾伦辐射带中高速动转电荷而感生的另一个与地磁场极性相反叠加于地磁场之上的磁场等几者的相互作用)形成一个随变化而变化且由于磁纽缠使地磁场磁力线扭曲成没有规律状态的等离子爆发态。故,在两极所产生的极光是毫无相同可言,而是时有时无没有任何可以预测的规律,而出现的光幕亦是千奇百变令人无法捉摸的景象,有呈现带状、弧状、幕状、放射状,这些形状有时稳定有时作连续性变化无常丽多彩变幻莫测的极光光幕。这里还需要提出的是:因着两极性相反互相叠加的两磁场因上述因素的影响,两磁场磁极相互之间亦作強烈变化,形起其等离子体分子的磁畴不断重新排列与磁致伸缩,并由此变化的过程发生“巴克好森效应”而发出“噼啪”“卡嚓”或“嘘”作响的声音。这就是两极毎当出现极光时经常会伴随这令人毛骨悚然的怪声。

通过对极光所存在的上述几个问题的探索及剖释,就能明了揭开极光形成的内在神秘的机理。现综述分析如下:当高能带电粒子流(太阳风)到达地球上空冲击地球磁层时,由于洛仑兹力的作用,根据右手定则这些高能带电粒子流(太阳风)在地球上空形成范艾伦辐射带,并环绕地球高速运转,这些高速运转的带电粒子流(电荷)感生出一个与地磁场极性相反的磁场并垂直叠加于地磁场之上。当两极性相反的磁场相互作用时两磁场磁能湮灭并产生了一个全新的物理现象-“磁重联”磁重联释放“磁纽缠”,使磁能转化为非常重要的快速能量释放过程,磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。因磁重联快速所释放的磁纽缠爆发而释放的动能更增加了高能带电粒子流(太阳风)电离两极大气层各种气体的能量,使之成为绚丽多彩各种光谱色彩的带电的等离子体,它们的运动轨迹遵循电子运动轨迹,根据趋肤效应原理,这些等离子体集中分佈于等离子束的外围,再者地极两则必竟不是理想状态的导体,以及太阳风辐射压的作用,在地球两极各形成了一个偏离磁极中空近乎椭圆卵形的光圈(人称极光区)。从而可以看出极光的形成与太阳高能带电粒子流(太阳风)、地球磁层以及由此产生的电离层(或作范艾伦辐射带中高速动转电荷而感生的另一个与地磁场极性相反叠加于地磁场之上的磁场等几者的相互作用)形成一个随变化而变化随有随无且由于磁纽缠使地磁场磁力线扭曲成没有规律状态的等离子爆发态。故,在两极两极所产生的极光是毫无相同可言而是时有时无没有任何可以预测的规律,而出现的光幕亦是千奇百变令人无法捉摸的景象,有呈现带状、弧状、幕状、放射状,其形状有时稳定有时作连续性变化,形成无常的极光光幕。

这里还需要提出的是:因着两极性相反互相叠加的两磁场因上述因素的影响,两磁场磁极相互之间亦作不断与强烈变化,使其等离子体分子的磁畴亦是不断变化重新排列,并由此变化的过程就会发出“噼啪”“咔嚓”或“嘘”作响的声音,这就是两极毎当出现极光时总会伴随出现令人毛骨悚然怪声的来源,即“巴克好森效应”。根据上述对极光的系列现象的剖释与解读从而得出极光形成内在的机理所在。这不仅符合地球极光形成成因的解释,且可适用太阳系凡具备磁场,大气层及太阳风的其他行星两极极光形成的基本理论。极光是最奇妙的天象之谜。极光多姿多彩,变化万千,任何彩笔都很难绘出那在严寒的两极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。在自然界中还没有哪种现象能与之媲美…!认识极光,它为人们打开一扇通往世界未知知识的大门,从而认识神秘而浩瀚的宇宙…!