地球的兩極天空中神秘的極光現象，它如何產生，給人類怎樣的啟示

潮流科學控

01

極光簡介

1、什麼是極光

實際上，極光並非氣候現象
，而是宇宙的自然現象。所謂的太陽風帶電粒子來自太陽，被地球磁場捕獲並加速，與超高層大氣碰撞
，形成極光。太陽活動高峰時，極光觀測規模較大
，顏色變化的可能性大大增加。

2、極光特點

極光夜間比白天更活躍
。地磁緯度65~75°的區域，即地球上最常見的極光，稱為極光帶。北方，西伯利亞北極海，北斯堪納維亞，格陵蘭南端經過哈德遜灣
，加拿大北部經過阿拉斯加
。南半球是環繞南極大陸的極光帶。

但過了一會，極光並沒有將整個極光
帶覆蓋。假定真實的極光是由數千顆人造衛星拍攝的，則極光並非相對磁極的同心圓分布。日間為高緯度
，夜間為低緯度。這個區域叫做極光橢圓區
。極光出現在橢圓方向，但大多數明亮的極光出現在午夜。夜色中的極光比白天活躍。

02

人類對極光的研究

19世紀中葉，科學家們認為
，極光應該是由懸浮在極地大氣中的小冰片反射而形成的，如果用棱鏡來看，就會看到像彩虹一樣的七色光
。

1、對極光進行的實驗

有意思的是，我們知道極光是一個連續的光譜
，它包含著一些光譜。實驗結果表明，抽空後，由於電壓的增大
，玻璃管內的剩餘空氣將發光，其光由光譜和光譜組成。所以瑞典物理學家奧古斯特羅姆把極光看作放電現象
。

電離子層中的氧原子，氧分子，氮分子或離子使極光發光
。若粒子與數千個電子伏特相碰撞，則可以改善其內部的能量狀態
。這個狀態是不穩定的，它將很快返回到原始能量的狀態，即釋放剩餘能量
。和光子一樣，釋放出的能量取決於被吸收的粒子類型，因此可以看到具有特定顏色的光
。

舉例來說
，最常見的淺綠幕狀極光是由氧原子發出558波長(1納米等於1億分之一米)的光所造成的。在90~100千米的高處，將亮幕極光下端染成粉紅色
，氮分子發射出570~770納米波長的光
。此外，在日本北海道和其他地方，還能看到類似火山爆發的紅光。氧原子發出630納米波長的光
。

2、極光來自太陽的運動

（1）太陽活動分類

太陽能主要分為三類：第一類是幾乎可見光的能量
；第二類是紫外線或x光，它們對生物有害，但已被大氣吸收到對流層，幾乎不能到達地面
；第三類是等離子體。等離子體意味著使原子完全離子化為質子和電子狀態。太陽風等離子流對地球的影響使極光發光。

（2）太陽的日冕活動引起極光現象

宇宙飛船上，當太陽超過一百萬度
的時候，我們稱之為日冕。它被薄空氣所包裹。這個位面慢慢地膨脹，最後變成秒速超過400公里的太陽風，穿過了太陽
。這類太陽風的能量僅為可見光的百萬分之一
，每立方厘米僅10個帶電粒子。但這種太陽風對行星空間和地球的電磁現象
有極大的影響。

太陽活動是否活躍，最顯著的標志是黑子的數量
。太陽黑子的數量在11年左右的周期增減中占主導地位
，黑子多被稱為太陽活動旺盛的高峰期，反之則稱為極小期。

在高峰時期，黑子周圍的強磁場儲存著巨大的能量
，磁場變形。在能量釋放的時候，通常會出現所謂的爆發
。超高溫等離子體隨著耀斑的爆發出現在假面中。

03

人類對極光的利用

1、利用極光發電

在美國，極光放電功率達到10億千瓦，幾乎等於每年消耗
的功率。普通發電機在磁場中快速運動，傳導體內產生電動勢。
極光機器作為導電體，其作用是等離子流產生太陽風，這種能量被稱為磁流體(MHD)。

地磁具有固定在磁層中的趨勢
，但是由於太陽風經常向太陽磁場移動，因此也存在著磁場。當磁等離子體流到磁場周圍時，地球磁場並未完全被磁鎖定
，所以具有良好磁性邊界的磁線與太陽風的磁線
相結合。

導線內的太陽風能通過再連接的磁線產生電動勢
。這是極光馬達的原理。太陽風和地磁場的確形成了天然的大型發電廠
。查普曼的理論和重要理論在過去30年中的不斷完善，顯示了科學進步
的艱難。

在60年代，人造衛星觀測到磁體的內部結構
十分複雜。距離地球最近，以地球電離層為源的等離子層，與此部分重疊的又稱為範艾倫帶，是一條充滿高能粒子
的射線帶。磁層尾上的等離子充滿了電離的太陽能熱微粒
。夜晚經常出現極光的微粒來自磁性線。

2、極光的放電電路

因為極光放電線和環繞磁極的分布方式相同
，所以極光圍繞磁極的區域就像是一個圓圈。光機正極是早晨一側的磁性接口，而夜晚一側的磁性接口
則是負極。正、負線柱是如何為極地超高層大氣供電
的？

首先，地球上與早晨側磁層界面
相連的磁線分布在傍晚極地側磁線的半圓上，而傍晚極地側磁線分布在早上極地側半圓上，在一個薄的等離子體中
，電子沿著磁線盤呈螺旋狀運動，所以這些磁線在極光放電時起著看不見的導線作用，即放電電流從磁性界面的正極流向極地早晨側的電離層
，然後通過頂點的電離層(由極光橢圓包圍的內部部分)，從磁性界面流向夜晚磁性界面的負極。這種現象被稱為第一次極光放電
，其原因之一是極光處於極地環中
。但實際的放電電路遠比這複雜，上面的電路在赤道邊也有一個。另外還有一種原因就是在晚上經常有極光放電
。

電子由分布在磁性線上的電子傳送
。其中一些來自太陽風和電離層的電子。值得一提的是，電流方向與電子的運動方向相反。此外，由於放電電路處於斷路狀態
，沒有電離層也不產生極光放電
。

結語：
自然界總是這樣充滿神秘
，人類自古從未停止過對自然的探索，在這個過程中發現了許多奇妙的自然現象，在對這些神奇之處進行分析的過程中
，不但揭開了自然的神秘面紗
，而且人類也得到了許多改變自身生存環境的方法。