大自然的妙笔生花——极光

极光被视为自然界中最漂亮的奇观之一。极光多种多样,五彩缤纷,形状不一,绮丽无比,在自然界中还没有哪种现象能与之媲美。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。

极光的来源

地球的极光,来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流(太阳风)使高层大气分子或原子激发(或电离)而产生,是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气时,与大气中的原子和分子碰撞并激发,产生光芒,形成极光。极光产生的条件有三个:大气、磁场、高能带电粒子。这三者缺一不可。极光不只在地球上出现,太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。

极光的分布区域

如果我们乘着宇宙飞船,越过地球的南北极上空,从遥远的太空向地球望去,会见到围绕地球磁极存在一个闪闪发亮的光环,这个环就叫做极光卵。由于它们向太阳的一边有点被压扁,而背太阳的一边却稍稍被拉伸,因而呈现出卵一样的形状。极光卵处在连续不断的变化之中,时明时暗,时而向赤道方向伸展,时而又向极点方向收缩。处在午夜部分的光环显得最宽最明亮。长期观测统计结果表明,极光最经常出现的地方是在南北磁纬度67度附近的两个环带状区域内,分别称作南极光区和北极光区。在极光区内差不多每天都会发生极光活动。在极光卵所包围的内部区域,通常叫做极盖区,在该区域内,极光出现的机会反而要比纬度较低的极光区来得少。在中低纬地区,尤其是近赤道区域,很少出现极光,但并不是说压根儿观测不到极光。

极光的基本分类

从科学研究的角度,极光有很多种分类方法,按其形态特征分成五种:一是底边整齐微微弯曲的圆弧状的极光弧;二是有弯扭折皱的飘带状的极光带;三是如云朵一般的片朵状的极光片;四是面纱一样均匀的帐幔状的极光幔;五是沿磁力线方向的射线状的极光芒;按其观测的电磁波波段可以分为光学极光、无线电极光等;按激光激发粒子类型可以分为电子极光、质子极光等;按极光发生的区域可以分为极盖极光、极光带极光、中纬极光红弧等.

极光的自然特征

极光有时出现时间极短,犹如节日的焰火在空中闪现一下就消失得无影无踪;有时却可以在苍穹之中辉映几个小时;有时像一条彩带,有时像一团火像一张五光十色的巨大银幕,仿佛上映一场球幕电影,给人视觉上以美的享受。极光一般呈带状、弧状、幕状、放射状,这些形状有时稳定有时作连续性变化。在寒冷的极区,人们举目瞭望夜空,常常见到五光十色,千姿百态,各种各样形状的极光。毫不夸大地说,在世界上简直找不出两个一模一样的极光形体来。

木星与土星的极光

太阳系内其他行星上也有极光,木星和土星这两颗行星都有比地球更强的磁场(木星在赤道的磁场强度是4.3高斯,相较之下地球只有0.3高斯),而且两者也都有强大的辐射带。哈勃太空望远镜也很清楚的看见这两颗行星的极光。在巨大气体行星上的极光看起来与地球的相似,也是由太阳风提供能量,另外,木星的卫星,特别是埃欧,更是木星极光的能量来源。这些电流是沿着场线(场准直电流)涌生出的,肇因于卫星绕着行星公转的相对运动,引起的发电机机制。有着火山活动和电离层的埃欧,是带电粒子的强力来源,从1955年开始就在研究由它的电流所发射出来的电波辐射。使用哈柏太空望远镜也在埃欧、欧罗巴和甘尼米德上观测到极光,当木星磁气圈的等离子撞击到它们稀薄的大气层时,就会产生极光。

上图是南欧洲天文台发表的在2000年11月拍摄到木星上极光的照片,和木星两极上空的烟雾,这是科学家第一次清楚拍摄到木星两极的情况。下图由“卡西尼”号飞船在2008年11月11日拍摄的65张照片合成,土星南极周围的绿光类似于地球的极光现象。

金星与火星的极光

在金星和火星上也曾观测到极光。因为金星没有内在(行星本身)的磁场,金星的极光呈现不同的形状和强度,看起来是明亮但弥漫的补丁,有时会分布在整个行星的盘面。金星的极光源自太阳风的粒子撞击和陷入在夜晚侧的大气层。在2004年8月14日,火星快车号上的仪器SPICAM检测到火星的极光。这道极光位于erraCimmeria,东经177°,南纬52°,辐射区域大约宽30公里,高度在8公里左右。经由分析包括火星全球探勘者号过去的地壳磁场异常资料,科学家发现辐射的地区是相对来说是区域性的局部磁场最强的地区。这种相关性显示,电子是通过火星地壳的磁力线与被激发的大气层移动。而近期NASA发布声明称,火星大气与挥发物演化任务(MAVEN)探测器在12月25日的前5天发现一片明亮的紫外极光,横跨火星北半球。由于是在去年12月发现了这片极光,所以昵称其为”圣诞光”。图为MAVEN观测到火星北半球大气深处出现的极光现象的艺术示意图。

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