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絢爛多彩的極地之光

作者：李佩/中科院地質與地球物理研究所

看瞭下面這兩張照片，或許有人會很好奇，地球周圍的絢麗的光是神馬東西呢？或許會有人脫口而出，不就是極光嘛。是的，下面第一張照片是2005年9月11日image衛星拍攝的地球極光，第二張照片是NASA發佈的地球極光。對於極光的形成過程你是否有所瞭解呢？那麼，跟隨筆者去瞭解極光的形成原因及過程吧。

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首先，極光到底是什麼呢？極光是一種出現於星球高磁緯地區上空的絢爛多彩的發光現象，而地球上的極光是由來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流（太陽風）使高層大氣分子或原子激發（或電離）而產生。極光是日地空間物理現象中的一種用肉眼就可以觀測到得重要現象。由於極光光譜覆蓋瞭紫外、可見和紅外等廣闊波段，因此極光被稱為大氣成分的“指紋”。我國是世界上觀測到極光最早的國傢之一。據《通鑒外紀》記載，周昭王元年（約公元前11世紀），有光五色貫紫微；又有《伏侯古今註》記載，漢光武帝建武八年（公元32年），夜月暈五重，紫微青黃似虹，有黑氣如雲，月星不見，丙夜乃解。

極光有著豐富多彩的形態，空間上他可以從全球范圍到100m量級尺度，時間上可以從幾小時到幾秒。極光的形狀主要包括射線狀（孤立射線、幕狀和冕狀）和非射線狀（均勻弧狀、均勻帶狀、彌散狀和脈動狀），其中冕狀極光一般隻出現在高緯度地區。極光發生幾率最大的地方被稱為極光帶，如果隻考慮在極光帶中觀測到的極光的概率為50%的地方，那麼極光帶跨度約為12°，大約相距1300km，其形態為一個以地磁中極點為中心的近似橢圓形。常見的可見極光有3種基本色彩：紅色、綠色和藍紫色，其中綠色最為顯著。經過大量研究發現，極光的各種顏色幾乎都是從大氣的主要成分氮、氧分子和原子以及它們的離子發出來的。此外，極光發出的高度通常高於100km，並且由於不同高度中大氣密度、成分等條件不同，致使輻射出的光譜也不同。

那麼極光是如何產生的呢？根據THEMIS觀測結果，極光的大致形成過程如下：（1）太陽風（帶電粒子流）以很高的速度向地球吹來，這時太陽風中的磁場與地球的磁場方向一致，這時高能粒子流雖然能夠影響地球磁場線（向陽面壓縮，背陽面形成拖尾），但是太陽風並沒有直接穿透磁層；（2）但是，當太陽風中的磁場與地球磁場方向相反時，兩種磁場會連接在一起，這時地球磁場就會發生一些改變，先是形成扭曲磁場，接著沿著地球邊緣向背陽的一側運動，變化為“磁流繩”，此時太陽風中的高能粒子流便可以進入地球磁層內，為地球磁層輸入能量；（3）太陽風把形成的磁流繩和磁場從地球向陽一側拉到背陽一側的磁尾區域，積蓄一定時間的磁場後，磁尾會發生斷裂，觸發亞暴、加速離子並產生強大的磁波；高溫等離子也會經斷裂的磁尾進入地球，在到達地球極區上層大氣之後，激發大氣中的原子和分子，使其發光形成極光。

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絢爛多彩的極光猶如一條天路連接著地球與太空，連接著仙山美景與科學奧秘。願幽美之光與世人常伴，願求知之心在吾輩長存！

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美術編輯：張騰飛

校對：張燡敏

公眾號：中科院地質地球所

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