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來源：互聯(lián)網(wǎng)

極光（Aurora），是指在高緯度地區(qū)，80～500公里高空中大氣稀薄的地方出現(xiàn)的一種光的現(xiàn)象。由太陽發(fā)出的高速帶電粒子受地球磁場影響，進入兩極附近，激發(fā)高空中的原子和分子而引起。通常是弧狀、帶狀或幕狀，微弱時白色，明亮時黃綠色，有時還有紅、灰、紫、藍等色。在太陽活動盛期，極光有時會延伸到中緯度地帶，在各地形成明暗不同、顏色各異的光。四百年前伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）以羅馬神話里的曙光女神歐若拉（Aurora）命名極光。

極光的產(chǎn)生與三方面條件有關(guān)：大氣、磁場、高能帶電粒子。現(xiàn)代物理學認為，極光是太陽風中的帶電粒子被地磁場導引進入地球大氣層，與高層大氣（熱層）中的原子碰撞而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。其絢麗程度與地磁暴的強度成正相關(guān)，磁暴會加劇高層大氣微粒的活動，對航天器以及衛(wèi)星的飛行造成阻力，除此之外，還會令短波通訊的信號大幅減弱。在太陽黑子活躍期或日冕物質(zhì)拋射增加、太陽風強度增強的階段，極光出現(xiàn)的頻率和亮度都會顯著增加。由于地磁場的作用，這些高能粒子轉(zhuǎn)向極區(qū)，故極光常見于高磁緯地區(qū)。極光的形態(tài)可分為四種：均勻的較穩(wěn)定的極光弧、極光帶，帶有射線式結(jié)構(gòu)的光簾幕、光弧等，彌漫狀極光以及大的均勻發(fā)光面。觀測極光的最主要影響因素是天氣條件，沒有空氣污染，能見度良好的觀測環(huán)境是觀測極光的基礎(chǔ)。最大概率觀測到極光的地方是在南北磁緯度67度附近的兩個環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)，分別稱作南極光區(qū)和北極光區(qū)（極光區(qū)是離磁極25°～30°的范圍）。極光帶呈環(huán)形，半徑約2500公里。

研究極光對探索太陽和磁層有重要意義。黃河站極地研究人員通過連續(xù)14個冬季的觀測數(shù)據(jù)，定義了新的極光結(jié)構(gòu)——“喉區(qū)極光”。山東大學電離層—磁層耦合課題組利用該團隊的高分辨率磁流體力學模型揭示了“馬軛型”極光的形成與演化機理。2023年4月24日在新疆發(fā)生了一場特大地磁暴，引發(fā)了極光現(xiàn)象。

命名

極光的英文是歐若拉（Aurora），她是羅馬神話里的曙光女神，四百年前伽利略·伽利萊以其命名極光。奧羅拉與月亮女神狄愛娜（Diana）是姐妹，她們的哥哥是太陽神阿波羅（Apollo）。在西方人的想象里，奧羅拉美麗輕靈，把她的芳名賜給極光，可以看出人們對極光的喜愛。

定義

極光是行星高磁緯地區(qū)大氣中產(chǎn)生的彩色發(fā)光現(xiàn)象，是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。通常指來自太空的高能帶電粒子進入地球大氣層后沿行星固有磁場進入兩磁極與高層大氣的氣體分子和原子碰撞而形成的亮光。極光的典型形狀為弧狀或帶狀，顏色為白色或黃綠色，有時帶紅、灰、紫、藍等色。

形態(tài)特征

形狀

通常，極光的形態(tài)有四種表現(xiàn)，分別為穩(wěn)定且均勻的極光弧、極光帶，帶有射線式結(jié)構(gòu)的光簾幕、光弧、光柱、光帶及日冕狀光塊等，彌漫狀極光以及大的均勻發(fā)光面。

均勻穩(wěn)定的極光弧、極光帶，極光弧看起來底部整齊，略微彎曲呈圓弧狀，極光帶有彎扭褶，看起來和飄帶很像。光弧與光帶分布均勻，形狀比較穩(wěn)定，沿磁緯方向分布，極蓋區(qū)近似沿太陽方向，厚度幾千米至幾十千米，長達1000千米，移動速度慢，氧原子綠線強度約幾萬瑞利。

帶有射線式結(jié)構(gòu)的光簾幕、光弧、光柱、光帶及日冕狀光塊等。它們沿磁力線方向分布，平均厚度約200米，極光的亮度與厚度成反比，長度跨越較大，從數(shù)十千米到數(shù)百千米都有，移動速度快(50千米/秒)，氧綠線強度在100萬瑞利以內(nèi)。

彌漫狀極光，主要指云形斑塊群，沿磁緯方向分布，每塊光斑面積在100平方千米左右，亮度最低，氧原子綠線強度約幾十瑞利，只有很強的彌漫狀極光，才能被肉眼看見。

大的均勻發(fā)光面，這一類中比較常見的是紅色極光光面。

顏色

極光的顏色主要取決于大氣中的氣體分子、帶電粒子的波長以及帶電粒子進入大氣層的深度。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。帶電粒子通過和氣體分子碰撞反應(yīng)產(chǎn)生各種各樣的顏色。帶電粒子進入大氣層后，在200千米以上的高空撞到氧原子，氧原子會發(fā)出紅光，高度在100－200千米時，氧原子會發(fā)出黃綠色光，這種顏色也是極光最常見的顏色。碰撞到電離狀態(tài)下的氮會發(fā)出藍光，中性的氮分子受到撞擊時發(fā)出的則是紫紅色光。其它氣體也會呈現(xiàn)各種顏色，如氖受到?jīng)_擊時會發(fā)出紅光，氬[yà]發(fā)藍光，氦發(fā)黃光等。

聲音

伴隨北極光發(fā)生的還有一種神秘的聲音，據(jù)聽到過極光聲音的人描述，這種聲音是一種噼啪聲，類似于含混不清的爆裂音，并且只持續(xù)一小段時間。極光聲音并不會每次都伴隨極光產(chǎn)生。它聽起來距離我們很遠，但是實際上，通過科學家們對這些聲音進行對比分析并結(jié)合芬蘭阿爾托大學（Aalto University）的探索發(fā)現(xiàn)，這種聲音產(chǎn)生于距地面70米的空中。與此相比，北極光則是產(chǎn)生于距離地面120千米的高空中。芬蘭氣象研究所（FMI）還發(fā)現(xiàn)，當北極光在觀測點出現(xiàn)的同時，伴隨其產(chǎn)生的地磁干擾也同步被測量到。通過以上研究和檢測記錄，科學家們推測北極光聲音產(chǎn)生的背后可能有著若干不同的原理。

極光形成

形成原理

產(chǎn)生極光的原因是太陽風攜帶的高能帶電粒子（電子和質(zhì)子）在到達地球附近時，被地球磁場俘獲，并在地球磁場作用下被吸引到地球磁極周圍區(qū)域，荷電粒子在兩極高空大氣中與氧、氮原子發(fā)生撞擊，將電子擊走，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，這些離子發(fā)射不同波長的輻射，以此產(chǎn)生帶有紅、綠、藍等極光特征色彩的可見光。

形成條件

形成極光的三要素為大氣、磁場、太陽風。

太陽風是一種等離子體，是太陽創(chuàng)造出的能量形式之一。它是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流，太陽風盤旋在地球上空以每秒400千米的速度不停流動，沖擊著地球磁場，并從極尖區(qū)進入地球磁尾，在地球磁場作用下，這些高能粒子向地磁極方向運動，從而導致帶電粒子與地球高層大氣發(fā)生化學反應(yīng)。

科學家已經(jīng)了解到，地球磁場并不是對稱的。在太陽風的吹動下，它已經(jīng)變成某種“流線型”，其形狀類似于漏斗，尖端對著地球的南北兩個磁極，它的作用之一就是削弱太陽風對地球生物的危害。當太陽風中的帶電粒子來到氣球上空時，與地球磁場產(chǎn)生作用，對抗過程中部分帶電粒子被地球磁場捕捉，并下沉入這個“漏斗”中，沿磁力線進入地球的兩極地區(qū)。

高層大氣是由多種氣體組成的，與太陽風發(fā)生作用后發(fā)出光芒，不同的分子、原子在受到?jīng)_擊后所發(fā)出光的顏色也是不一樣的。例如氧被碰撞后發(fā)出綠光和紅光，氮被碰撞后發(fā)出紫色的光，氬被碰撞后發(fā)出藍色的光，不同顏色的單色光混合在一起，就形成了絢麗多彩的極光顏色。

極光分類

按照極光的形態(tài)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；極光依性質(zhì)可分為擴散極光和分立極光；按觀測的電磁波波段分為光學極光和無線電極光，光學極光又分為可見極光和X射線極光；按激發(fā)粒子類型分為電子極光和質(zhì)子極光；按照極光發(fā)生區(qū)域，分為極蓋極光、極光帶極光、中緯極光紅弧等。

按形態(tài)分類

勻光弧極光

這種極光有著均勻靜止的弧狀外觀，靜止狀態(tài)可保持幾小時不變，光弧寬窄不一。當它出現(xiàn)在地面附近時，在光弧和地面中間可以看見一個下邊緣明顯的暗淡區(qū)，上邊緣界限比較模糊，有時以單弧形式出現(xiàn)，一部分會在東端折返形成雙弧，這種情況下光弧上下邊緣常常是相似的。有時同時出現(xiàn)多個光弧，光弧間互相平行，組成橫跨天空的大弧。

射線式光弧光帶極光

射線式光弧極光由大量長短不一垂直于光弧的射線構(gòu)成，擁有不規(guī)則且多變的形狀，與保持靜止狀態(tài)的極光相比，它在天空中的位置無時無刻不在變化著，亮度也在發(fā)生不規(guī)則的變化。射線式光帶極光由許多閃耀的射線構(gòu)成，這些射線排列的緊密程度并不一致，有些很緊密，有些比較分散，射線較長時會發(fā)生扭結(jié)和折疊，在清晰的影像中，會有多個光帶。

簾幕狀極光

這種極光很薄，有時厚度不足1千米，長度卻能達到上千千米。組成這種極光的射線很長，通常散發(fā)出綠黃色，亮度從下往上逐漸變?nèi)酰逻吘壸盍粒瑤в?a href="/hebeideji/7230671429782470713.html">野薔薇紅色或紫色，整塊光幕不斷變幻閃爍，做著波浪式的運動，看起來像是一塊巨大的帷幔在擺動。

極光冕

極光冕是射線或其它形態(tài)的光線在頂部會聚成的一個點，也稱極光冠。

按照極光觀測的電磁波波段分類

光學極光

可見極光

可見極光有3種基本類型：第一種是紅色極光（A型極光），這種極光是由能量小于1000電子伏的電子激發(fā)生成的，主要光譜成分OI（3P-1D）波長為6300埃和6364埃，通常以彌散光弧光面形態(tài)出現(xiàn)，除個別發(fā)生在1000千米高度，一般分布在200－400千米高空。第二種是白綠色極光（普通型極光），以射線式結(jié)構(gòu)為主，以O(shè)I（1D-1S）波長5577埃為主，其次是N2+第一負系，這種極光所含氧紅線成分比較少，多數(shù)情況下呈現(xiàn)白綠色或淺黃綠色。分布高度下限在100千米左右，上限為140－180千米。第三種是下緣為紅色的極光（B型極光），多為射線式結(jié)構(gòu)，以N2+邁納爾帶為主，主要分布高度下限在90－110千米，但在65千米高度處也發(fā)生過。

X射線極光

這種極光是在高能電子突然遭到稠密的大氣成分阻滯時產(chǎn)生的，由于過程中放射出X射線，所以稱為X射線極光，它是電子的軔致輻射（帶電粒子相互碰撞發(fā)生偏轉(zhuǎn)而驟然減速時將其動能轉(zhuǎn)化為光子的輻射），穿透力強，發(fā)生高度下限可達30－40千米。

按極光激發(fā)粒子類型分類

電子極光

這類極光指的是由電子（次級或初級電子）注入地球高層大氣時激發(fā)的出來的，可見極光和X射線極光都是電子極光。

質(zhì)子極光

高能質(zhì)子沖入地球高層大氣后被減速，其中能量為1萬－10萬電子伏的質(zhì)子同氫原子或質(zhì)子碰撞激發(fā)出的極光稱為質(zhì)子極光。質(zhì)子極光的形態(tài)通常為微弱的彌漫狀光帶，發(fā)生范圍在高度300－500千米之間。質(zhì)子的譜線特別展寬，并伴隨著向短波的頻移（多普勒效應(yīng)），質(zhì)子極光長度為幾百千米，寬度可達幾千千米。

按照極光發(fā)生區(qū)域分類

極蓋極光

極蓋極光在磁靜時的表現(xiàn)形式是日照極光，它發(fā)生在磁緯75°－90°，出現(xiàn)頻率高，白天也可以看到。日照極光的主要光譜成分是紅光和藍紫光，高度上限可達1000千米。日照極光常見顏色是紫色，這是因為N2的振動結(jié)構(gòu)在日光下有熒光現(xiàn)象。極蓋極光的另一種表現(xiàn)形式為極蓋輝光，是太陽色球爆發(fā)后噴出的100萬－1億電子伏的高能質(zhì)子造成的，它出現(xiàn)在極地上空（有時延伸到磁緯60°），伴隨云形光斑塊，主要成分是3914埃。

極光帶極光

極光帶極光發(fā)生在磁緯60°－70°，出現(xiàn)頻率高，是夜間極光，主要是普通型極光和B型極光。在地球兩極與極光橢圓帶接近但緯度較低的區(qū)域，有時也會發(fā)生粒子沉降和極光等現(xiàn)象，稱為亞極光帶極光。

中緯極光紅弧

中緯度極光紅弧是一種在地磁活動強烈時才可以看到的極光，發(fā)生在磁緯41°－60°地區(qū)。極光紅弧外觀均勻，紅弧強度最大值在400千米左右，寬600千米、長1000千米以上，看起來像是圍繞著地球，只有在紅弧較強時肉眼才能看見。

極光現(xiàn)象

極光爆發(fā)

極光爆發(fā)是一種重要的極光活動現(xiàn)象。極光爆發(fā)發(fā)生時，極光從無到有，短時間內(nèi)亮度迅速增強，位置發(fā)生劇烈變化，極光橢圓向地球赤道方向擴張，赤道一側(cè)的靜止極光弧在短時間內(nèi)突然增亮形成大規(guī)模的射線式弧光帶，然后極光橢圓再逐步收縮恢復到原來的狀況。

小尺度極光

小尺度的極光包括只有100米大小的淡薄極光，尺度約1千米的多重弧狀極光，尺度為1－10千米的旋渦狀極光和0.1－10千米的黑色極光等。它們不像極光爆發(fā)那樣，擁有絢爛美麗的外觀，卻同樣揭示了來自太陽的高能帶電粒子和地球大氣相互作用的物理過程。

極光觀察

觀測區(qū)域

極光出現(xiàn)頻率最高的區(qū)域位于南北磁緯度67度附近的兩個環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)，寬度約6°，分別稱為南極光區(qū)和北極光區(qū)。其次是大約離磁極25°－30°的范圍內(nèi)，這里常出現(xiàn)極光，這個區(qū)域稱為極光區(qū)。地磁緯度45°-60°之間的區(qū)域稱為弱極光區(qū)，地磁緯度低于45°的區(qū)域稱為微極光區(qū)。根據(jù)關(guān)于極光分布情況的研究，極光區(qū)的形狀不是以地磁極為中心的圓環(huán)狀，而是卵形。在極光卵所包圍的內(nèi)部區(qū)域，通常叫做極蓋區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，極光出現(xiàn)的機會反而要比緯度較低的極光區(qū)來得少。

典型觀測地

北半球以阿拉斯加州、北加拿大、西伯利亞地區(qū)、格陵蘭冰島南端與挪威北海岸為主，其中阿拉斯加、北加拿大是最佳觀測地，阿拉斯加的費爾班（Fairbanks）更是擁有“北極光首都”的美稱，一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象，南半球則集中在南極洲附近。在中國，黑龍江省漠河市是觀測極光的的最佳地點。

觀測方法

影響極光觀測的最大因素是天氣條件。能見度良好，天空少云或無云，沒有空氣污染的觀測環(huán)境是觀測極光的基礎(chǔ)。極光的最佳觀賞時間為每年的2月、3月、10月的晚上6時至凌晨1時，避免滿月和有許多其他光源的地方。室外溫度10 ℃－15 ℃為宜，拍攝工具可以準備單反相機、廣角鏡頭、三腳架、快門線、頭燈或者小手電、隨身小相機等。