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極光的形成原理是什么?

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極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達(dá)地球附近,地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線集中到南北兩極。當(dāng)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(fā),產(chǎn)生光芒,形成極光。

極光出現(xiàn)在地球高磁緯地區(qū),是一種罕見的自然景觀。極光不止出現(xiàn)在地球,在太陽系其它具有磁場的行星上,也會發(fā)生這種現(xiàn)象。那極光是如何形成的呢?

在地球南、北兩極附近的高空,夜間常會出現(xiàn)一種奇異的光。其色彩斑斕:有紫紅色,有玫瑰紅,有橙紅色,也有白色和藍(lán)色。

其形狀也是千差萬別:有的像空中飄舞的彩帶,有的像一團跳動的火焰,有的像帷幕,有的像柔絲,有的像巨傘。這種大自然的“火樹銀花不夜天”的景象就是極光。

早期觀點

1、本杰明·佛蘭克林的理論:神奇的北極光是濃稠的帶電粒子和極區(qū)強烈的雪和其他的濕氣作用造成的。

2、極光的電子來自太陽發(fā)射的光束。這是克利斯蒂安柏克蘭在 1900 年提出的說法,她在實驗室用真空室和磁化的地球模型,顯示電子是如何被引導(dǎo)至極區(qū)。這個模型的問題包括本身缺乏在極區(qū)的極光、負(fù)電荷本身自行散射這些光束、而且仍然缺乏任何太空中的觀測證據(jù)。

3、破水桶理論:極光是溢流出的輻射帶,這是詹姆斯·范艾倫和工作伙伴大約在 1962 年首先提出的。他們指出在輻射帶內(nèi)獲得的巨大能量很快就會在極光的漫射中耗盡。不久之后,很明顯地,陷在輻射帶內(nèi)的都是高能的帶正電離子,而在極光內(nèi)幾乎都是能量較低的電子。

4、極光是太陽風(fēng)中的粒子被地球的場線引導(dǎo)至大氣層頂端造成的。這適用于極光的尖點,但在尖點之外,太陽風(fēng)沒有直接的作用。另一方面,太陽風(fēng)的能量主要都留駐在帶正電的離子,電子只有 0.5eV,而在尖點上會上升至 50~100eV,這仍然遠(yuǎn)低于極光的能量。

現(xiàn)代觀點

極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達(dá)地球附近,地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線集中到南北兩極。當(dāng)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(fā),產(chǎn)生光芒,形成極光。

根據(jù)美國國家航空航天局“瑟宓斯衛(wèi)星任務(wù)”(Themis mission)傳回的數(shù)據(jù),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(xiàn),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撞破,分別發(fā)出紅色和綠色光。

這項研究是由美國加州大學(xué)洛杉磯分校的安吉羅波洛斯主持,其研究結(jié)果已于 2007 年 12 月 9 日在“美國地球物理聯(lián)合會”的學(xué)術(shù)會議中發(fā)表。

瑟密斯衛(wèi)星任務(wù)的 5 個人造衛(wèi)星群 2007 年 2 月成功發(fā)射升空,3 月在阿拉斯加和加拿大上空偵測到北極光出現(xiàn)兩小時,同一時間衛(wèi)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(fēng)暴以每分鐘 650 公里的速度掠過空中,威力相當(dāng)于芮氏規(guī)模 5.5 的地震。

科學(xué)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(chǎn)生的扭曲磁場,但這個理論一直到 2010 年 5 月才獲得證實,當(dāng)時瑟密斯任務(wù)的衛(wèi)星群從地球上空 6 萬多公里首度測到扭曲磁場的結(jié)構(gòu)。

極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達(dá)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。

在北半球觀察到的極光稱北極光,南半球觀察到的極光稱南極光,經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北緯度 67 度附近的兩個環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi),阿拉斯加的費爾班克斯(Fairbanks)一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象,因此被稱為“北極光首都”。

地球磁層磁力線攜帶太陽風(fēng)的能量進入地球內(nèi)部,進而驅(qū)動了地磁場的形成。在這磁層磁力線閉合環(huán)路上除了有地球內(nèi)部的導(dǎo)電體之外,另外還有大氣層的電離層這一弱導(dǎo)電體。

當(dāng)太陽風(fēng)強烈時,磁力線能量遇到地球內(nèi)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。

最近,因為新衛(wèi)星技術(shù), 日本科學(xué)家第一次直接觀測到帶電粒子沉淀進入地球大氣的合成波散射電子。沉淀的電子通量足夠強烈,可產(chǎn)生脈動極光。

這是人類探究極光產(chǎn)生現(xiàn)象的里程碑事件!未來,由于新技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家會繼續(xù)探究極光產(chǎn)生的具體原因。

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