極光是如何形成的及原理

2024年2月13日發(作者：半坡人)

極光是如何形成的及原理

極光是出現于星球的高磁緯地區上空，是一種絢麗多彩的發光現象。形成極光的因素有很多，下面就讓店鋪來給你科普一下極光是如何形成的。

極光形成的原因

1890年，挪威物理學家柏克蘭認為，離地球1.5億千米的太陽幾乎連續不斷地向地球放射物質點。而離地球5萬千米至6.5萬千米以外有一層磁場將地球罩住。當太陽的質點直射這層磁場而被擋住時，它便向地球四周擴散，尋找鉆入的空隙，結果約有1%的質點鉆入北磁極附近的大氣層。每顆太陽質點含有等于1000伏特的電力。它們在100千米外的高空大氣層中與原子和多半由氧和氮構成的分子相遇，原子吸收了太陽質點所含的一部分能量時，立即又將這能量釋放出來而產生極強的光，氧發出綠色和紅色的光，氮則發出紫、藍和一些深紅色的光。這些繽紛的色彩組成了綺麗壯觀的極光景象。

許多科學家正在對極光作深入的研究。人們看到的極光，主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且，極光的顏色和強度也取決于沉降粒子的能量和數量。用一個形象比喻，可以說極光活動就像磁層活動的實況電視畫面。沉降粒子為電視機的電子束，地球大氣為電視屏幕，地球磁場為電子束導向磁場。科學家從這個天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動的大量信息。例如，通過極光譜分析可以了解沉降粒子束來源，粒子種類，能量大小，地球磁尾的結構，地球磁場與行星磁場的相互作用，以及太陽擾亂對地球的影響方式與程度等。

極光雖然美麗，但是在地球大氣層中投下的能量，可以與全世界各國發電廠所產生電容量的總和相比。這種能量常常攪亂無線電和雷達的信號。極光所產生的強力電流，也可以集結在長途電話線或影響微波的傳播，使電路中的電流局部或完全“損失”，甚至使電力傳輸線受到嚴重干擾，從而使某些地區暫時失去電力供應。怎樣利用極光所產生的能量為人類造福，是當今科學界的一項重要使命。

根據美國國家航空航天局“瑟宓斯衛星任務”(2007/12)(Themis

mission)傳回的新數據，科學家發現太陽釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球，碰到北極上空磁場時又形成若干扭曲的磁場，帶電粒子的能量在瞬間釋放，以燦爛眩目的北極光形式呈現，而地球的極光主要只有紅、綠二色是因為在熱成層的氮氣和氧原子被電子碰撞，分別發出紅色和綠色光。瑟密斯衛星任務的5個人造衛星群于2007年2月成功發射升空，3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測到北極光出現兩小時，同一時間衛星也偵測到帶電粒子流接觸到北極磁場。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是，帶電粒子和磁場接觸形成的地磁風暴以每分鐘650公里的速度掠過空中，威力相當于芮氏規模5.5級的地震。

科學家早就懷疑，北極光的能源來自帶電粒子與北極磁場接觸產生的扭曲磁場，但這個理論一直到2010年5月才獲得證實。當時瑟密斯任務的衛星群從地球上空6萬多公里首度測到扭曲磁場的結構。

極光產生的原理

極光是地球周圍的一種大規模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達地球附近，地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線(Field line)集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣時，與大氣中的原子和分子碰撞并激發，產生光芒，形成極光。經常出現的地方是在南北緯度67度附近的兩個環帶狀區域內，阿拉斯加的費爾班(Fairbanks)一年之中有超過200天的極光現象，因此被稱為“北極光首都”。所以極光只能在地球的南北極被看見。

地球磁層磁力線攜帶太陽風的能量進入地球內部，進而驅動了地磁場的形成。在這磁層磁力線閉合環路上除了有地球內部的導電體之外，另外還有大氣層的電離層-這一弱導電體。當太陽風強烈時，磁力線能量遇到地球內部的磁感抗，有許多能量消耗不掉，于是就在電離層處形成了極光。

極光的形態

根據關于極光分布情況的研究，極光區的形狀不是以地磁極為中心的圓環狀，而是卵形。極光的光譜線范圍約為3100～6700埃，其中最重要的譜線是5577埃的氧原子綠線，稱為極光綠線。

大多數極光出現在地球上空90---130千米處。1959年，一次北

極光所測得的高度是160千米，寬度超過4800千米。但有些極光要高得多，高度可達560---1000千米以上。

極光的基本分類

按照極光的形態分類，可分為勻光弧極光、射線式光柱極光、射線式光弧光帶極光、簾幕狀極光、極光冕等。

按照極光觀測的電磁波波段，可分為光學極光、無線電極光等。

按激光激發粒子類型，可分為電子極光、質子極光等。

按照極光發生區域，可分為極蓋極光、極光帶極光 、中緯極光紅弧等