美丽的极光

posted by htian on Tue, 11/06/2017 - 12:00

美丽的极光和老式显像管电视机，它俩其实很相似

作者：吴桐，空间所博士生

极光，可以算得上是地球上最壮丽的自然景观之一了。当这种本应该出现在魔法世界中的景象，却真实地出现在你的眼前的时候，给人的震撼是不言而喻的。这也难怪每年总有大批的驴友，不远万里到达寒冷的北欧地区，就为了一睹她的芳容。

我叫吴桐，现在是从事与极光相关的空间科学研究的博士研究生。而我现在的工作就是在中国南极中山站度过一个漫长的极夜，对极光进行科学观测。为此，身边总有人问我极光的产生原理，通常我也会有一段教科书式的回答：“来自地球磁层和太阳的高能带电粒子流（太阳风）在地球的高纬地区进入地球高层大气，使高层大气分子或原子激发（或电离），当这些分子或原子由激发态跃迁回基态时，便会以光子的形式释放能量，从而产生肉眼可见的极光。”对于普通人来说，这种解释难免会显得晦涩难懂。所以在这篇文章中，我想用更加直观且易于理解的方式和大家聊一聊极光是怎么产生的，顺便展示一下我们在南极极夜期间所看见的极光究竟是什么样子。

极光的产生，其实和老式的显像管电视（CRT电视）的显示原理是极其相似的。可以这么说：极光就像是一台像地球这么大的CRT电视机，所呈现给我们的美丽图像。让我们先来回顾一下显像管电视是怎样工作的：不像现在纤薄的液晶电视，显像管电视总会有一个厚厚的机壳，在机壳的末端，对准屏幕，会安装有一个电子枪。电子枪在通电后产生电子，打在屏幕上，使屏幕上的荧光物质发光，从而产生人眼可见的图像。而对于极光来说，太阳就是那个电子枪，它会产生高能的带电粒子（也就是太阳风，除了电子以外，也会包含一些以质子为代表的正离子）。而地球的高层大气（距离地面几十公里以上的大气，部分电离，光化学作用变得显著）就对应电视机的屏幕，高层大气中的分子和原子在高能粒子的撞击下，就会发出肉眼可见的极光。

是不是非常类似呢？原来在人类发明阴极射线管和CRT电视机之前，地球上早就有尺度大得多的类似原理的自然过程在上演着了。

极光发生的过程与显像管电视显示图像虽然在源头、媒介和结果上颇为相似，但是高能粒子运行的过程还是有一点不同：那就是地球自身有磁场，高能带电粒子的运行轨迹会受到磁场的影响。不知道各位小时候有没有试过拿一块磁铁靠近电视机屏幕，如果试过的话，就会知道当磁铁靠近屏幕时，屏幕上的图像会受到明显的干扰：带电粒子的运动轨迹会受到磁场的影响。在高中物理课本中我们就会学到：带电粒子如果垂直磁场运动，就会受到洛伦兹力的影响而原地转圈，而在平行磁场方向就可以畅行无阻。也就是说，在地球磁场这样大的尺度下来看，带电粒子通常只能沿着磁场的方向（即沿着某一根磁力线）行进，而不能横越磁力线运动。下面这张图显示了地球磁场在太阳风作用下的磁力线形态：只有在高（磁）纬地区，地球磁场才会像漏斗一样指向地面。也就是说，只有在这些地方，高能带电粒子才能沿着磁力线到达离地面较近的地方，产生极光。

现代研究表明，极光出现的磁纬度范围通常大致在正负60度至80度的范围内。磁纬度的概念类似地理纬度，只是纬度为90度的点由地理南北极变成了地磁南北极。中国南极中山站的地磁纬度是-74.5度，恰好是观测南极极光的绝佳场所。假如从南极上空往“下”看地球，那么发生极光的区域如下面这张图所示。

其中，对应产生向阳面极光的高能粒子，大多都是由太阳产生后直接沿漏斗状的磁结构进入两极地区的。而对应产生背阳面极光的高能粒子，它们的运动轨迹则略显复杂：通常从太阳产生后先到达地球背阳面距离地球大约十万公里的地方（磁尾），再掉头沿着磁力线进入高纬地区。

极光的形态

极光的形态通常是变幻莫测的，对极光进行形态上的各种分类因此也比较主观。基于我所观察到的各次极光事件，在这里我把它们大致分为三类：极光弧（极光带）、帘幕状极光和弥散极光。

极光弧通常亮度最高，且与背景夜空的边界通常最为分明，像极了一匹由南到北划过天空的丝绸，或笔直或弯曲。帘幕状极光假如位于地平线附近，看起来是由一道道平行的亮暗交错的光柱所组成，呈现射线状；假如位于头顶，则会呈现出如礼花绽放般的放射状。弥散极光通常没有特定的形态，边界也比较模糊，像一团由焚香炉发出的，发着光的烟雾。在这儿，文字描述是苍白的，请看图：

这是我到达中山站后首次看到的明亮的极光：蜿蜒盘旋的极光带。

国旗上空，像丝绸一般流淌的明亮的极光弧。

像一团烟雾一般的弥散极光。

中山广场上空的极光弧，远处还有射线状的帘幕极光。

在头顶呈现的数条明亮的极光弧。

同时出现的明亮的极光弧和帘幕状极光，颜色从红色变化到绿色。

红色和绿色相间的帘幕状极光。

当帘幕状极光出现在头顶时，便犹如礼花绽放一般。与丝绸状的极光弧形成了鲜明的对比。在这张图片中，极光呈现出了多种颜色。

极光的颜色

极光的颜色多种多样，有绿色、红色、黄色、紫色等。但是，正如你在上面的图片中看见的那样，最常见的颜色是绿色。前面已经提到，极光是由激发态的分子或原子跃迁回基态产生的，因此熟悉原子物理的朋友就会知道：极光的光谱是分立且波长固定的。例如最常见的绿色极光，便是由激发态的氧原子跃迁回基态时产生的波长为557.7纳米的绿色谱线。极光的颜色、波长和产生它们的高层大气粒子的对应关系如下图所示。

不得不提的是，肉眼所见的极光，比大家通常在照片中看到的极光要暗得多。因为这些照片通常都是把相机的感光度设置得很高，开大光圈，经过几秒至几十秒曝光而来。不过，照片所带来的极光观感仍然远远不及亲自置身于其下所带来的震撼。极光的流淌、变换、丰富的色彩与夜空交相辉映，从细致入微的光影细节到波澜壮阔的宏大场面，都远远不是照片甚至视频可以表达出来的。所以，如果在一生中能够有机会的话，一定要去北欧看一次极光啊！因为我的拍照水平和设备都极其有限，这里给想进一步一饱眼福的朋友们分享一组由专业极光摄影师 Ronn & Marketa Murray 夫妇拍摄的美轮美奂的北极光照片，相信一定会唤起你背上相机飞往北欧的欲望： Aurora - Northern Lights Gallery - The Aurora Chasers™ 另外，由于没有各种明亮的人造光源的干扰，因此在晴朗无云且没有月光的天气，夜空中的银河清晰可见。在北京需要驱车上百公里，在远离城市光污染的荒郊野岭才能勉强拍到的银河，在这儿几乎是唾手可得。甚至在照片中，银河旁边两个其它星系都能看得十分清楚（这里还得请天文爱好者告诉我们星系的名字，谢谢！）。躺在有银河、群星和极光的夜空下，唯一强烈的感觉就是自己是如此的渺小。地球不过是宇宙中的一粒灰尘，更何况区区一个人。