□吳再豐 編譯

極光探秘

□吳再豐 編譯

極光圍著磁極點(diǎn)的地區(qū)像光環(huán)那樣顯現(xiàn)。極光發(fā)電機(jī)的正極是早晨側(cè)的磁層界面，負(fù)極是傍晚側(cè)的磁層界面。那么，正負(fù)端子是怎樣給極地的超高層大氣提供電力的呢？

點(diǎn)綴極地夜空的極光，可謂是地球上所看到的最神秘的自然現(xiàn)象之一。

極光的英文名叫“aurora”。實(shí)際上，它出自羅馬神話“曙光女神”的名字，古人相信趕走黑夜、引來(lái)黎明的是這個(gè)曙光女神。而在中世紀(jì)的歐洲，如果極光出現(xiàn)，卻會(huì)被認(rèn)為是不祥之兆；那時(shí)的人把兩極中緯度地區(qū)天空上出現(xiàn)的那種極光現(xiàn)象與血腥聯(lián)想在一起，并作為上帝發(fā)怒的征兆。

其實(shí)，極光不是天氣現(xiàn)象，而是一種宇宙物理現(xiàn)象。從太陽(yáng)飛來(lái)的所謂太陽(yáng)風(fēng)的帶電粒子，會(huì)被地球磁場(chǎng)捕俘并加速，通過(guò)與超高層大氣碰撞便形成了極光。在太陽(yáng)活動(dòng)高峰期，可大大提高觀察大規(guī)模且有色彩變化的極光的可能性。預(yù)計(jì)今明兩年將迎來(lái)太陽(yáng)的高峰期，這將有利于對(duì)極光的深入研究。

地球是巨大的磁鐵

首先對(duì)地磁緯度作一說(shuō)明。在地球上的磁鐵通常指南北，這是因?yàn)榈厍蜃陨泶嬖诖蟮拇盆F。1600年，英國(guó)物理學(xué)家威廉·吉爾伯特闡明地球周?chē)凶阅舷虮钡拇帕€包圍，地磁的擴(kuò)散即構(gòu)成磁場(chǎng)。地球地磁與穿過(guò)地球中心的條形磁鐵的磁場(chǎng)（偶極磁場(chǎng)）非常相似。假定地球中心有條形磁鐵，那么其軸與自轉(zhuǎn)軸偏離約11.5°。另外，條形磁鐵的延長(zhǎng)線碰到地表的點(diǎn)稱(chēng)“地磁極”。

地磁的南北兩極與地球的南北兩極不一致，而且位置也不固定。這是因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)每年都在變化，地磁極的位置也在變化。2005年，地磁北極在北緯79.7°，西經(jīng)71.8°的格陵蘭的西北部，地磁南極在南緯97.7°，東經(jīng)108.2°的位置。即在北半球，地球的地磁極比自轉(zhuǎn)軸更傾向于美國(guó)，在南半球更傾向于澳大利亞。

極光在夜里比白晝更活躍

地球上極光最常見(jiàn)的地方是在地磁緯度65～75°的面包圈狀地區(qū)，該地區(qū)被稱(chēng)作“極光帶”。極光帶在北半球是從西伯利亞的北極海側(cè)起經(jīng)斯堪的納維亞半島以北，格陵蘭的南端穿過(guò)哈德遜灣，再?gòu)募幽么蟮谋辈看┻^(guò)阿拉斯加的正中這一地區(qū)。這一帶有極光“銀座”之稱(chēng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年有200多天能見(jiàn)到極光。在南半球有同樣的極光帶，恰好是圍著南極大陸轉(zhuǎn)一圈。

但是，在某個(gè)瞬間，極光并不覆蓋整個(gè)極光帶。如果從數(shù)萬(wàn)千米上空的人造衛(wèi)星拍攝實(shí)際的極光，就會(huì)發(fā)現(xiàn)極光并不是相對(duì)磁極成同心圓狀分布。白天會(huì)偏向高緯度，晚上則偏向低緯度區(qū)域出現(xiàn)。這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)作“極光橢圓”。極光沿著極光橢圓出現(xiàn)，但是清晰明亮的極光大多發(fā)生在半夜。極光在夜里比白天更趨活躍。

極光是放電現(xiàn)象

19世紀(jì)中葉，科學(xué)家覺(jué)得極光應(yīng)該是太陽(yáng)光線通過(guò)懸浮在極地大氣中的小冰片被反射而出的發(fā)光現(xiàn)象，那么通過(guò)棱鏡來(lái)看極光，理應(yīng)看到像彩虹那樣的七色光（連續(xù)光譜）。

有趣的是，我們知道極光不是連續(xù)光譜，而是由若干線譜和帶譜構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)得知，將玻璃管抽成真空，加高電壓會(huì)引起放電，殘存在玻璃管內(nèi)的空氣會(huì)發(fā)光，那個(gè)光由線譜和帶譜構(gòu)成。所以，瑞典物理學(xué)家?jiàn)W古斯特·羅姆認(rèn)為，極光是“放電現(xiàn)象”。

讓極光發(fā)光是電離層中的氧原子、氧分子、氮分子或它們的離子。如果這些粒子與具有非常大運(yùn)動(dòng)能量的數(shù)千電子伏特的電子碰撞，則提高了粒子內(nèi)部的能量狀態(tài)。因?yàn)檫@種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，不久就回到原來(lái)能量的低穩(wěn)定狀態(tài)，那時(shí)會(huì)將多余的能量作為光子釋放，被釋放的能量由被碰撞的粒子的種類(lèi)決定，這樣就看到在特定波長(zhǎng)的顏色上發(fā)光。

例如，最常見(jiàn)的淺綠色幕狀極光是氧原子發(fā)出波長(zhǎng)558納米（1納米是十億分之一米）的光造成的。明亮幕狀極光的下端也有在高度90～100千米被染成粉紅色的，而這是由氮分子發(fā)出波長(zhǎng)570～770納米的光造成的。另外，引起大的磁暴時(shí)，在日本北海道等地會(huì)看到像火山噴發(fā)那樣紅的極光，則是氧原子發(fā)出波長(zhǎng)630納米的光形成的。

極光產(chǎn)自太陽(yáng)的日冕

太陽(yáng)的能量大體上分為三類(lèi)：第一類(lèi)幾乎可以說(shuō)是可見(jiàn)光的能量；第二類(lèi)是對(duì)生物有害的紫外線或X射線，但這些射線已在對(duì)流層上面被大氣吸收，幾乎沒(méi)有到達(dá)地表；第三類(lèi)是等離子體。所謂“等離子體”，是原子完全電離為質(zhì)子與電子的狀態(tài)。導(dǎo)致極光發(fā)光的，就是那個(gè)等離子體流借助太陽(yáng)風(fēng)沖擊地球之故。

從宇宙學(xué)中得知，當(dāng)太陽(yáng)被加熱到100萬(wàn)開(kāi)以上的高溫時(shí)，這個(gè)太陽(yáng)就又被稱(chēng)之為“日冕”。它被稀薄大氣層包裹著。日冕慢慢地膨脹，最終變?yōu)槊胨?00千米以上的太陽(yáng)風(fēng)，刮過(guò)太陽(yáng)系的空間。這個(gè)太陽(yáng)風(fēng)的能量只有可見(jiàn)光能量的百萬(wàn)分之一，其中每立方厘米只有10個(gè)帶電粒子。但是那樣的太陽(yáng)風(fēng)會(huì)對(duì)行星間空間或地球的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生很大影響。

高峰期頻繁引起爆發(fā)現(xiàn)象

太陽(yáng)活動(dòng)是否活躍，其最顯著的標(biāo)志表現(xiàn)在于黑子的數(shù)量上。太陽(yáng)黑子數(shù)量按大約11年的周期增減，黑子多時(shí)被稱(chēng)為太陽(yáng)活動(dòng)旺盛的“高峰期”，反之稱(chēng)為“極小期”。

高峰期在黑子周邊的強(qiáng)磁場(chǎng)儲(chǔ)備了巨大的能量，造成磁場(chǎng)畸變。一旦能量釋放，就頻繁地發(fā)生被稱(chēng)之為“耀斑”的爆發(fā)現(xiàn)象。隨著耀斑的爆發(fā)，超高溫的等離子體便出現(xiàn)在日冕中。另外，電子或離子也被加速到接近光速，并一下子釋放到行星間。

作為另一個(gè)爆發(fā)現(xiàn)象，“日冕氣體拋射”（CME，即發(fā)生包含強(qiáng)磁場(chǎng)或高密度帶電粒子的等離子體云）一邊向太陽(yáng)外側(cè)上升一邊急劇膨脹，成長(zhǎng)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)太陽(yáng)本身大小。伴隨耀斑或日冕氣體拋射的太陽(yáng)風(fēng)，秒速達(dá)到1000千米，爆發(fā)后約兩天到達(dá)地球。

如果CME與地球發(fā)生碰撞，則能劇烈搖晃地磁層，此刻就會(huì)出現(xiàn)極光。與此同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)大的磁暴，造成電波通信障礙。

極光發(fā)電機(jī)原理

在自然界有打雷等瞬間的放電現(xiàn)象，但極光是連續(xù)放電現(xiàn)象，所以必須要有供給電力的發(fā)電機(jī)。極光放電的電力達(dá)到10億千瓦，幾乎相當(dāng)于美國(guó)一年的電力消耗量。一般的發(fā)電機(jī)，通過(guò)在磁場(chǎng)中快速運(yùn)動(dòng)使導(dǎo)電體產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。在極光發(fā)電機(jī)擔(dān)當(dāng)導(dǎo)電體角色的是等離子體流的太陽(yáng)風(fēng)，人們將這樣的發(fā)電稱(chēng)之為“磁流體（MHD）發(fā)電”。

由于帶電粒子通過(guò)磁場(chǎng)的行進(jìn)路線被彎曲，所以太陽(yáng)風(fēng)并不是直接撞上構(gòu)成巨大磁鐵的地球。太陽(yáng)風(fēng)刮到地球附近時(shí)，在地球周?chē)圃炜斩?，可?jiàn)地球磁場(chǎng)起到了守護(hù)地球免遭太陽(yáng)風(fēng)直擊的屏障作用。我們將守護(hù)空洞的這個(gè)磁場(chǎng)稱(chēng)為“地球磁層”。地球磁層在太陽(yáng)側(cè)（晝側(cè)）被太陽(yáng)風(fēng)壓碎，在對(duì)側(cè)（夜側(cè)）構(gòu)成像彗星那樣拖著長(zhǎng)長(zhǎng)尾巴的形狀，稱(chēng)為“磁層尾部”。這個(gè)閉磁層形成的理論是由1931年英國(guó)地球物理學(xué)家西德尼·查普曼提出的。

雖說(shuō)地球磁場(chǎng)有被禁錮在磁層內(nèi)的傾向，但因太陽(yáng)風(fēng)經(jīng)常搬來(lái)太陽(yáng)磁場(chǎng)，所以具有磁場(chǎng)。被磁化的等離子體流被刮到磁層的周?chē)鷷r(shí)，地球磁場(chǎng)沒(méi)有完全被禁錮在磁層里面，從而使從磁層交界的極地出來(lái)的磁力線與太陽(yáng)風(fēng)的磁力線結(jié)合。人們將這個(gè)重接的磁力線稱(chēng)為“磁重接”。

導(dǎo)電體的太陽(yáng)風(fēng)，通過(guò)橫穿這個(gè)被重接的磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這就是極光電動(dòng)機(jī)的原理，即太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)確實(shí)構(gòu)成了自然的大發(fā)電站。從查普曼的理論到這個(gè)重要理論的改進(jìn)整整用了30年，顯示了科學(xué)的進(jìn)步是多么不易啊。

20世紀(jì)60年代，人造衛(wèi)星觀測(cè)表明，磁層內(nèi)部具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。最靠近地球的地方有以地球的電離層為源頭的等離子體層，與此部分重疊的又被稱(chēng)之為“范·艾倫帶”，它是充滿(mǎn)高能粒子的輻射帶。磁層尾部有被電離的熱粒子塞滿(mǎn)的“等離子體片”，儲(chǔ)存著太陽(yáng)風(fēng)的能量。夜里引起頻繁極光的粒子就是從這里沿著磁力線來(lái)的。

極光的放電電路

極光圍著磁極點(diǎn)的地區(qū)像光環(huán)那樣顯現(xiàn)，這是因?yàn)闃O光放電電路像包圍磁極點(diǎn)那樣分布的緣故。極光發(fā)電機(jī)的正極是早晨側(cè)的磁層界面，負(fù)極是傍晚側(cè)的磁層界面。那么，正負(fù)端子是怎樣給極地超高層大氣提供電力的呢？

首先，我們發(fā)現(xiàn)在地球連接早晨側(cè)磁層界面的磁力線分布在極地傍晚側(cè)構(gòu)成的半圓中，而傍晚側(cè)磁層界面的磁力線分布在極地早晨側(cè)構(gòu)成的半圓中，電子在稀薄的等離子體中沿著磁力線盤(pán)成螺旋形那樣運(yùn)動(dòng)，所以這些磁力線在極光放電時(shí)起到了看不見(jiàn)的“電線”的作用。即放電電流從磁層界面的正極流入極地早晨側(cè)的電離層，橫穿極冠（極光橢圓所包圍的內(nèi)側(cè)部分）的電離層后，從電離層流向傍晚側(cè)磁層界面的負(fù)極。這個(gè)被稱(chēng)之為第一個(gè)極光放電電路，也是極光在極地呈現(xiàn)環(huán)狀的理由之一。但是實(shí)際的放電電路遠(yuǎn)比這個(gè)要復(fù)雜，剛才所述的電路在赤道側(cè)也有一個(gè)。而在夜里頻繁出現(xiàn)的極光放電電路則另當(dāng)別論。

這個(gè)放電電流是靠沿著磁力線分布的電子來(lái)傳輸?shù)?。它的部分電子?lái)自太陽(yáng)風(fēng)，也包含電離層的電子。需要注意的是，電流的流向與電子的運(yùn)動(dòng)方向相反。再者，由于放電電路是開(kāi)放的，如果沒(méi)有電離層，就不會(huì)引起極光放電。

地球的磁性正在減弱

通常，極光出現(xiàn)的緯度是由太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)的平衡決定的。在太陽(yáng)活動(dòng)高峰期的2000年，當(dāng)時(shí)極光帶位于地磁緯度的45～50誘，這意味著極光橢圓擴(kuò)大。在這樣的狀態(tài)下，即使在日本北海道也能見(jiàn)到極光。

但是，在極地所能看到的劇烈舞動(dòng)的極光并未來(lái)到北海道。由于地球是圓的，在北海道只能好不容易才看到極光幕的上邊部分，由于那部分紅色居多，所以在北海道能見(jiàn)到的是靠近地平線隱隱約約的染成紅色的極光。

自從十九世紀(jì)德國(guó)物理學(xué)家卡爾·高斯最早測(cè)定地磁強(qiáng)度以來(lái)，地球的磁力在百年間已降低5%，即每年以0.05%的比例降低。近30年通過(guò)衛(wèi)星磁力測(cè)定發(fā)現(xiàn)，其減少率進(jìn)一步提高，每年已達(dá)0.07%，如果照這樣的比例降低，1200年后地球的磁力將變?yōu)榱悖ǖ厍虼艌?chǎng)將發(fā)生逆轉(zhuǎn)）。

倘以這個(gè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬千年后的極光帶，那么極光將會(huì)在東北亞上空飛舞，屆時(shí)我們不用去極地就能觀賞極光了。