极光是怎样形成的？

□ 国家天文台 黄亚芳

迷你问答系列（六）

极光是怎样形成的？

□ 国家天文台 黄亚芳

图中是冰岛上空的绿色极光，与前景冰川相呼应，仿佛是一座正在喷发的绿色火山。倒映在湖面上的淡绿色光影、天上的云朵和西沉的明月交相辉映，美不胜收。（图片来源：APOD）

虽然我们大多数人并没有亲眼见到过极光，但只要提到它依然会在脑中闪过这样的画面：空旷的夜空中，缥缈的绿光如丝带般飞舞飘动。极光真的是这样吗？极光到底是怎样形成的呢？

Q 极光是怎样形成的？

A 在介绍极光的形成之前，我们先来介绍一下地球生命的保护伞——地球磁场。

我们可以把地球视为一个巨大的磁铁，其中磁北极在地理北极附近、磁南极在地理南极附近。这两极所产生的球体磁场即为地球磁场。指南针正是利用了磁铁的指极特性来帮助我们辨别方向，不过由于通过两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.5度的夹角，因此指南针所指的方向并不是地理上的正南北方向。

地球磁场

地球保护伞——地球磁场

地磁场一个重要的作用是保护地球生命免受太阳风的危害。太阳风是一种等离子体，地球磁场的存在像是为地球张开了一把大伞有效地阻止了太阳风的长驱直入。在地球磁场的“抵抗”下，太阳风中的大部分高能粒子会绕过地球磁场，继续向前运动，但有些高能粒子会被地球磁场俘获，并沿着磁力线向磁极落下。这些下落的高能带电粒子，与两极大气层中的氧、氮等分子、原子发生碰撞，成为激发态的离子，并发射出不同波长的辐射。由此便产生出壮美的极光。因此，极光不只在地球上出现，太阳系内其他具有磁场的行星上也会有极光出现。

超链接：太阳风

在太阳日冕层的高温（上百万开尔文）下，氢、氦等原子已经被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。这些带电粒子运动速度极快，以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚，冲向太阳的外围，形成太阳风。

Q 极光是什么颜色的？

A从上文我们知道，美丽的极光

正是太阳风、地球磁场和大气层共同的杰作。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。

通常来说，在200千米以上的高空，带电粒子撞到氧原子时，氧原子会受激发出红光。而在100~200千米高空，氧原子则会受激发出黄绿色光，这也是我们最常会在极光照片上看到的颜色。另外，电离状态下的氮会发出蓝光，中性的氮分子受到撞击时发出的则是紫红色光。

打一个形象的比方，极光活动可以说就像磁层活动的实况电视画面一样。下落的高能粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。三者共同作用，在这个天然“大电视”中为我们上演变幻莫测、绚丽夺目的极光盛筵。

正因如此，极光有帷幕状、弧状、带状以及射线状等多种形状。其中发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化，并最终朝地极方向消失褪去。

美国缅因州上空多彩的极光。（图片来源：APOD）

加拿大北部的壮观极光与地面帐篷屋内洒出的温暖光线共同构成了这幅色彩饱满的美图。（图片来源：APOD）

Q 何时何地能看到极光？

A地球磁场会引导绝大部分太阳风中的高能粒子“绕道而行”，但有少数会随着磁力线落到地球的两极“漏斗”区域，因此极光往往出现在靠近地磁极附近的高纬地区——在南极地区形成的叫南极光，在北极地区形成的叫北极光。然而在太阳活动盛期，极光有时也会延伸到中纬度地带。太阳每11年左右有一个非常活动期，会抛出大量高能粒子进入宇宙空间，此时出现的极光最为瑰丽壮观。

由于地平线上的城市灯光和高层建筑都会遮挡我们的视线，所以极光的最佳观测地点是在高纬度地区乡间的空旷地带。在中国，北极村就是一个能让你有机会一睹极光风采的地方。北极村位于中国黑龙江省漠河县，是中国最北的城镇、距离北极最近的地方之一。北极光虽然一年四季都有可能出现，但最佳观测时间是在每年冬季的夜晚。因为此时漠河常会出现万里晴空的天气，而且北极正处在极夜之中，能看到极光的概率也就大大增加。虽然极光白天也会出现，但因白天阳光亮度大，极光亮度小，不易看到。

漠河极光（图片来源：http://travel.fengniao.com/301/3016950.html）

超链接：极夜与极昼

极夜是指发生在地球的两极地区，一日之内太阳都在地平线以下的现象。相反，极昼是指一日之内太阳都在地平线以上的现象。北极和南极都有极昼和极夜，一年内大致连续六个月是极昼，六个月是极夜。

极光的低调“伙伴”

相比绚丽无比的极光，还有一种鲜为人知的大气发光现象——气辉。气辉之所以如此低调，是因为观测气辉的最佳地点是在国际空间站，从太空来看，地球表面常常会有一个黄绿色的光圈。这个神秘的光圈，便是气辉。

气辉与极光类似，都是由于高层大气电离产生。它是发生在大气层高处的光化学反应，由多种原子、分子和离子受太阳紫外辐射激发后释放出来的光线形成。可见的气辉多数来自氧原子和分子，它们发出的是绿光，就像通常在极光中看到的一样。尽管在大气层各层中都有这些元素，不过明显可见的发光层主要分布在85~90千米的高度，通常是一个6~10千米厚的光圈。这是因为，处于这个高度之下的原子和分子更密集，碰撞更多，会快速地释放出它们的能量。此外，还有很多其他因素（比如气温）也会在气辉现象中起作用。不同时间段也是影响因素之一，比如夜晚的气辉就和白天的不一样。由于气辉的存在，即使刨除了星光和散射太阳光的影响之后，地球的夜晚也不会是全黑的。

气辉与极光虽然都是由高层大气电离形成，但它们的具体形成机制有所区别，并且在与太阳活动的关系和可观测的地理纬度上也存在明显的差异。极光的出现与太阳活动相关，而气辉与太阳活动关系不大，且呈现出周期性和季节性的变化；只要条件合适，气辉可以在地球上空任意一块大气层中出现，而极光则较多地出现在地磁极附近的地区。此外，气辉的发光度也要比极光微弱得多。

国际空间站拍摄到的气辉现象（图片来源：APOD）

拉斯坎帕纳斯天文台夜晚上空的气辉与银河。（图片来源：APOD）