邂逅极光女神“欧若拉”

李斌

“红橙黄绿蓝，美丽的欧若拉，爱就在心中，相信是永远......” 当年张韶涵一首《欧若拉》唱遍大街小巷，让我们对极光女神“欧若拉”产生了无限的神往。极光被视为自然界中最漂亮的奇观之一，从古到今，吸引着无数人去探寻它的秘密，那么极光究竟是如何产生的？哪里是欣赏极光的最佳区域？极光的研究对未来人类发展有哪些重大意义？让我们掀开“欧若拉”的神秘面纱，一起感受它的魅力吧！

分子和原子碰撞的奇幻花火

极光的产生，其实和老式的显像管电视（CRT电视）的显示原理极其相似，都是由具备一定能量的粒子（主要是电子）与屏幕上的发光材料碰撞而产生的一种发光现象。而与CRT电视机不同的是，极光的显示器通常是高于地面100千米的高层大气，而产生极光的能量粒子大部分是来自太阳而后又被地球地磁束缚和导引的电子。这些带电的高能粒子与高层大气中的分子和原子相互撞击所产生的气体发光现象就是极光。

 粒子碰撞的瞬间发出各种颜色的光

极光的颜色炫彩夺目，形态千变万化。这又是如何形成的呢？

极光的色彩主要来源于地球大气中的氮和氧。通常极光的谱线主要集中在于427.8纳米（氮分子，蓝色）、557.7纳米（氧原子，绿色）和630.0纳米（氧原子，红色）。一般顶部的极光多呈现红色，底部呈现绿色，而极光的蓝色部分较弱，不易被肉眼看到。

极光按形态可以简单分为分立式极光和弥散状极光。分立式极光的发光强度较大，激发它的电子是经过沿磁力线方向的亚稳态电场的加速，电子流能通量密度较高，电子运动方向主要沿磁力线方向;而弥散状极光，是由于磁层中电子受电磁波的散射或者磁场位形的变化影响，进入损失椎，从而到达电离层，这些电子虽然能量较高，但能通量密度并不很高，所以会造成范围较大但亮度较弱的弥散状极光。分立式极光与弥撒式极光并不是孤立存在的，经常同时出现，有时会相互转化。分立式极光与弥撒式极光之间的联系也是极光物理学研究的课题之一。

最佳观光区

——“极光卵”

极光是太阳风与地球磁场作用产生的结果，所以它在地球上出现的区域也与地磁息息相关，极光主要分布在以南北磁极为中心的椭圆形区域，这个区域被称为“极光卵”。这个“极光卵”映射到地球磁场中就是地球偶极磁场的闭合磁力线与开放磁力线的边界，这里也是磁层中能量和粒子向地球电离层传输的主要通道，也是地面上能看到极光的主要位置。

“极光卵”的大小与位置与磁暴强弱有直接关系，磁暴越强，“极光卵”的半径越大，位置也越偏向低磁緯度地方，同时环形区域的宽度可能会增加，这也意味着低磁纬度地区看到极光的机会更大。由于地磁倾角的存在，地面上能观测到极光的位置在不同的大陆板块上有很大的差异。目前来说，由于北半球的磁极更加偏向北美大陆，因此北美的地磁纬度比亚欧大陆偏高，这意味着加拿大、美国北部更有机会观测到极光，而在欧洲，人们不得不前往地理纬度更高的挪威、瑞典、芬兰及俄罗斯的北部地区才能看到极光。对于南半球，由于“极光卵”所在的位置大部分处于南极大陆及南大洋上空，所以只有位于南极的科学考察站和澳大利亚、新西兰的南部地区和岛屿以及南美洲和非洲最南部的少数地区才有机会看到极光。

 极光形成的原理图

极光竟然是空间天气“预报员”

极光的的魅力不仅仅在于它自身的绚丽光彩和变幻莫测，它还是空间天气状况的一种直接表现。空间天气与我们日常的地面天气有很大不同，我们日常的地面天气指的是地表附近会出现的风雨雷电，而空间天气是航天活动中要考虑的空间环境。

空间天气是整个日地空间环境状态的变化，这种变化对于航天飞船和卫星的发射、运行，深空探测开展等所有离开地球大气层保护的各种活动都有十分重要的影响，而极光就是我们在地面上能够实时监控空间环境变化的指示器。往往在地球磁场受到太阳风猛烈冲击而引发地磁风暴的时候，南北极的极光就会异常的强烈，极光发生的范围也会增大，极光的移动和旋转也会明显的增强。为了建立一个供航天活动的空间天气预报，全球的科学家正在逐步建立起一个从太阳风爆发到地面各种效应的空间环境预报模型，但目前空间天气预报水平与地面天气预报还有很大差距，主要原因是无法在空间中布置像地面一样密度的环境探测器。在现有的条件下，南北极开展的地面极光观测就显得尤其重要。目前，中国在南极中山站、泰山站以及北极的中-冰北极科学考察站、黄河站都部署了多谱段极光全天空成像仪，这些设备分别在南北极的极夜期间开展极光的分谱段观测，能够全面的记录所在区域直径600千米范围天空中的极光情况。对极光的全面观测将为人类建立高效准确空间天气预报提供强有力的支持。

 太阳风引发地磁风暴时，南北极的极光会变得异常强烈

极区的天空是一个没有边际的舞台，极光是这舞台上永不落幕的表演，无时无刻不在向我们传递着来自远方的消息，而这远方或是地表以上6万千米处太阳风与地磁场的纠缠与牵绊，亦或是1.5亿千米处太阳耀斑的猛烈爆发。人类在这个蔚蓝行星上繁衍的几百万年中，对北方苦寒之地上空时而闪现的红绿色光芒经历了从恐惧到膜拜，从猜测到钻研。直到今天，我们对极光的认知仍不足够，随着人类一步步地深入太空，在不远的未来，极光或许会成为我们太空之旅的红绿灯。为人类的探索发展指引方向，保驾护航。