【地球物理】「紅橙黃綠青藍紫」除了彩虹,還有極光!

2021-02-11 超級課題組

要論大自然的鬼斧神工,那「極光」一定是首當其衝了。無論是從歌詞「紅橙黃綠藍,美麗的歐若拉」,還是詩句「畫筆都很難繪出那在嚴寒的北極空氣中嬉戲無常、變幻莫測的炫目之光」都可以看出極光多種多樣,五彩繽紛,形狀不一,綺麗無比,其絢麗程度在自然界中還沒有哪種現象能與之媲美。

圖1. 絢麗多彩的極光

極光,又稱歐若拉(Aurora),是一種絢麗多彩的等離子體現象,它可不單單會出現在「神秘北極圈,阿拉斯加的山巔」,在高緯度的南美洲、澳大利亞、紐西蘭和南極洲都可以看見極光。它也不是地球的「特產」,在太陽系內的其他一些具有磁場的行星上也有極光。

圖2. 不同星球上空的極光(左:地球;右:木星)

當然,極光的光芒多種多樣,其分類依據也並不唯一。

地球的極光,由來自地球磁層和太陽的高能帶電粒子流(太陽風)使高層大氣分子或原子激發(或電離)而產生。大氣、磁場、高能帶電粒子,是極光產生的必要條件。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集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣(>80km)時,與氧和氮的原子碰撞,擊走電子,使之成為激發態的離子,這些離子發射不同波長的輻射,產生出紅、綠或藍等色的極光特徵色彩。能量釋放產生的光芒形成圍繞著磁極的大圓圈,即極光。在極光活動時,地球的大氣圈就像一個「屏幕」,通過觀察這個「屏幕」,便可以得到磁層以及日地空間電磁活動的大量信息。

圖3. 極光產生原理模式圖

極光作為「太陽的使者」,在地球大氣層中投下的能量,相當於全世界各國發電廠所產生電容量的總和。極光所產生的強力電流,常常會攪亂無線電和雷達的信號,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幹擾,從而使某些地區暫時失去電力供應。果然,美麗的玫瑰都是帶刺的!如何獲取並利用極光所產生的能量為人類造福,仍是科學家們有待解決的問題之一!

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