極光

維基百科,自由的百科全書
跳到: 導覽搜尋
美國阿拉斯加州埃爾森空軍基地拍攝到的北極光
極光
木星極光

極光是在高緯度(北極南極)的天空中,帶電的高能粒子和高層大氣(熱層)中的原子碰撞造成的發光現象。帶電粒子來自磁層太陽風,在地球上,它們被地球的磁場帶進大氣層。大多數的極光發生在所謂的極光帶[1][2],在觀察上,這是在所有的經度上距離地磁極 10°至20°,緯度寬約3°至6°的帶狀區域。太陽風受到地球的磁場導引直接進入大氣層。當磁暴發生時,在較低的緯度也會出現極光。極光不只在地球上出現,太陽系內的其他一些具有磁場的行星上也有極光[3]

原理[編輯]

極光發現的歷史很早,《河圖稽命征》上說:「附寶(黃帝之母)見大電光繞北斗權星,照耀郊野,感而孕二十五月,而生黃帝軒轅於青邱。」這很可能是指極光。部份中國學者認為《山海經·大荒北經》中的燭龍是指極光,古人形容為「人面蛇身,赤色,身長千里,鐘山之神也。」。

1619年,伽利略以曙光女神奧羅拉(Aurora) 之名創造出aurora borealis 一詞。伽利略解釋極光是由反射從地球上上升蒸氣的太陽光。

極光最易出現的時期是春分秋分兩個節氣來臨之前,且春秋兩季出現頻率更甚夏冬。但2007年美國太空總署THEMIS」任務的資料顯示,在春分和秋分兩節氣時地球位置與「磁索」交錯最甚,而非因四季交替影響才有此結果。[4]另外,在太陽黑子多的時候,極光出現的頻率也大。

過去的理論[編輯]

在過去,有些理論被用來解釋這種現象,但現在都已經過時了。

  • 本傑明·富蘭克林(Benjamin Franklin)的理論:神奇的北極光是濃稠的帶電粒子和極區強烈的雪和其他的濕氣作用造成的。
  • 極光的電子來自太陽發射的光束。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至極區。這個模型的問題包括本身缺乏在極區的極光、負電荷本身自行散射這些光束、而且在近期內仍然缺乏任何太空中的觀測證據。
  • 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夥伴大約在1962年首先提出的。他們指出在輻射帶內獲得的巨大能量很快就會在極光的漫射中耗盡。不久之後,很明顯的陷在輻射帶內的都是高能的帶正電離子,而在極光內幾乎都是能量較低的電子。
  • 極光是太陽風中的粒子被地球的場線引導至大氣層頂端造成的,這適用於極光的尖點,但在間點之外,太陽風沒有直接的作用。另一方面,太陽風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,這仍然遠低於極光的能量。

現代的理論[編輯]

根據美國太空總署「瑟宓斯衞星任務」(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二色是因為在熱成層氮氣原子被電子撞破,分別發出紅色和綠色光。

這項研究是由美國加州大學洛杉磯分校的安吉羅波洛斯主持,其研究結果已於2007年12月9日在「美國地球物理聯合會」的學術會議中發表。

瑟密斯衞星任務的5個人造衞星群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,同一時間衞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,威力相當於黎克特制規模5.5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,當時瑟密斯任務的衞星群從地球上空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着磁場線(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並激發,產生光芒,形成極光。[5]

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,阿拉斯加費爾班克斯(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」。

挪威大峽灣上空的極光

形態[編輯]

極光按形態可分為:

按觀測的電磁波波段分為:

按激發粒子類型可分為:

按發生區域可分為:

在其他的行星[編輯]

木星的極光。在左邊遠方的亮點是埃歐場線的終點;在圖片底部的斑點是甘尼米德歐羅巴
在部分土星北半球高處出現的極光。影像是由卡西尼太空船拍攝的,一段影片顯示出在81小時的土星觀測影像中,也看到了土星的極光。

木星土星這兩顆行星都有比地球更強的磁場(木星在赤道的磁場強度是4.3高斯,相較之下地球只有0.3高斯),而且兩者也都有強大的輻射帶。哈柏太空望遠鏡也很清楚的看見這兩顆行星的極光[3]

巨大氣體行星上的極光看起來與地球的相似,也是由太陽風提供能量,另外,木星的衞星,特別是埃歐,更是木星極光的能量來源。這些電流是沿着場線(場準直電流)湧生出的,肇因於衞星繞着行星公轉的相對運動,引起的發電機機制。有着火山活動和電離層的埃歐,是帶電粒子的強力來源,從1955年開始就在研究由它的電流所發射出來的電波輻射。使用哈柏太空望遠鏡也在埃歐、歐羅巴和甘尼米德上觀測到極光,當木星磁氣圈的等離子撞擊到它們稀薄的大氣層時,就會產生極光。

在金星和火星上也曾觀測到極光。因為金星沒有內在(行星本身)的磁場,金星的極光呈現不同的形狀和強度,看起來是明亮但瀰漫的補丁,有時會分佈在整個行星的盤面。金星的極光源自太陽風的粒子撞擊和陷入在夜晚側的大氣層。在2004年8月14日,火星快車號上的儀器SPICAM檢測到火星的極光。這道極光位於erra Cimmeria,東經177°,南緯52°,輻射區域大約寬30公哩,高度在8公里左右。經由分析包括火星全球探勘者號過去的地殼磁場異常資料,科學家發現輻射的地區是相對來說是區域性的局部磁場最強的地區。這種相關性顯示,電子是通過火星地殼的磁力線與被激發的大氣層移動[3][6]

參考資料[編輯]

  1. ^ Feldstein, Y. I. Some problems concerning the morphology of auroras and magnetic disturbances at high latitudes. Geomagnetism and Aeronomy. 1963, 3: 183–192. Bibcode:1963Ge&Ae...3..183F. 
  2. ^ Feldstein, Y. I. A Quarter Century with the Auroral Oval. EOS. 1986, 67 (40): 761. Bibcode:1986EOSTr..67..761F. doi:10.1029/EO067i040p00761-02. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 ESA Portal - Mars Express discovers aurorae on Mars
  4. ^ 科學網—科學家揭開極光能量源之謎 由太陽活動引起
  5. ^ 極光與流星
  6. ^ Universe Today » Mars Express Finds Auroras on Mars

參見條目[編輯]