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美丽又神秘的极光(图片)

发布日期:2005-12-10    发布人:施大宁    点击数:2726 【字体:

美丽的极光 神秘的极光


一、绚丽多彩的极光
  在地球南北两极附近地区的高空,夜间常会出现灿烂美丽的光辉。有时它像一条彩带,有时它像一团火焰,有时它又像一张五光十色的巨大银幕。有时又像轻柔的窗帘,被微风所牵动,婉延在宁静而寒冷的夜空中。它轻盈地飘荡,同时忽暗忽明,发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒,多种颜色相继出现,璀灿悦目。静寂的极地由于它的出现骤然显得富有生气。这种壮丽动人的景象就叫做极光。
  瑰丽的极光是天空的奇观,它是高纬度地带晴夜天空常见的一种辉煌闪烁的光弧或光蒂,这种电的现象在中低纬度地带一般是不常见的。
  人们知道极光至少己有2000年了,因此极光一直是许多神话的主题。这是多少世纪以来引起人们猜测和探索的天象之谜,古代的中国人、日本人、希腊人、罗马人都有文字描述。从前爱斯基摩人以为是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬,许多民族也有他们不同的极光传说。在中世纪早期,不少人相信,极光是骑马奔驰越过天空的勇士。在北极地区,纽因特人认为,极光是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的。但是,长期以来,极光的成因一直未能得到满意的解释。
  随着科技的进步,极光的奥秘也越来越为我们所知,原来,这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。

二、变化莫测的极光
  极光下边界的高度,离地面不到100公里,极大发光处的高度约110公里左右,正常的最高边界为300公里左右,在极端情况下可达1000公里以上。大多数极光出现在地球上空90---130千米处,但有些极光要高得多。1959年,一次北极光所测得的高度是160千米,宽度超过4800千米。在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光,所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。在加拿大的丘吉尔城,一年在有300个夜晚能见到极光;而在罗里达州,一年平均只能见到4次左右。我国最北端的漠河,也是观看极光的好地方。
     

  在太阳活动盛期,极光有时会延伸到中纬度地带,例如,在美国,南到北纬40度处还曾见过北极光。极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形,有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而,大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去,辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。
  极光不仅是个光学现象,而且是无线电现象,可以用雷达进行探测研究,它还会辐射出某些无线电波。有人还说,极光能发出各种各样的声音。极光不仅是科学研究的重要课题,它还直接影响到无线电通讯、长电缆通讯,以及长的管道和电力传送线等许多实用工程项目。极光还可以影响到气候,影响生物学过程。当然,极光也还有许许多多没有解开的谜。
  长期观测统计结果显示,极光最经常出现的地方是南北地磁纬度67度附近的两个环带状区域内,分别称为南极光区和北极光区。在极光区内,差不多每天都会发生极光活动。在极光区所包围的内部区域,通常称为极盖区,在该区域内,极光出现的机会反而比纬度较低的极光区来得少。在中低纬度地区,尤其是近赤道地区,很少出现极光,但并不是说完全观测不到极光,只不过要数十年才难得遇到一次。1958年2月10日夜间的一次特大极光,在热带地区都能见到,而且显示出鲜艳的红色。这类极光往往与特大的太阳耀斑爆发和强烈的地球磁爆有关。
  在寒冷的极区,人们举目望夜空,常常可见到五光十色、千姿百态、各式各样形状不同的极光。毫不夸大地说,在世界上简直找不出完全一样的极光形体来。从科学研究的角度,人们将极光按其形态特征分成五种:一是底边整齐微微弯曲的圆弧状极光弧(或称为弧状极光)(图1);二是有弯扭折皱的飘带状极光带(或称为带状极光)(图2);三是如云朵一般的片朵状极光片(或称为片状极光)(图3);四是像面纱一样均匀的帐幔状极光幔(或称为幕状极光)(图4);五是沿磁力线方向的射线状极光冕(或称为放射状极光)(图5)。
  
 

  极光形体的亮度变化也是很大的。从刚刚能看得见的银河星云般的亮度,一直亮到满月时的月球亮度。在强极光出现时,地面上物体的轮廓都能被照清楚,甚至会照出物体的影子来。最为动人的当然是极光运动所造成的瞬息万变的奇妙景象。有些人形容事物变化得快时常说:「眼睛一眨,老母鸡变成鸭。」极光可真是这个样子。名符其实的翻手为云,覆手为雨,变化莫测,而这一切又往往发生在几秒钟或数分钟之内。极光的运动变化,是自然界这个魔术大师,以天空为舞台演出的一出光的话剧,上下纵横成百上千公里,甚至还存在近万公里长的极光带。这种宏伟壮观的自然景象,好象沾了仙气似的,颇具神秘气氛。令人叹为观止的则是极光的色彩,早已不足以用五颜六色去描绘。说到底,它的本色不外乎红、绿、紫、蓝、白、黄,可是大自然这一超级画家用出神入化的手法,将深浅浓淡、隐显明暗搭配组合,一下子变成天际的万花筒啦!这些色彩完全掌控在高层大气的气体成份,氧和氮是最重要的主角。根据非正式的统计,目前能清楚分辨的极光色调已达一百六十余种。
  根据近年来关于极光分布情况的研究,极光区的形状不是以地磁极为中心的圆环状,而是更像卵形。
  极光的光谱线范围约为3100-6700埃,其中最重要的谱线是5577埃的氧原子绿线,称为极光绿线。
  早在2000多年前,中国就开始观测极光,有着丰富的极光记录。

三、太阳风带来的极光
  产生极光的原因是来自大气外的高能粒子(电子和质子)撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在所知,作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时,被地球磁场俘获,并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞,击走电子,使之成为激发态的离子,这些离子发射不同波长的辐射,产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。
  造成极光动态变化的机制尚示完全明了。 在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中,有一种能量被称为"太阳风"。这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流,该太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场,磁场使该颗粒流偏向地磁极,从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应,形成极光。在南极地区形成的叫南极光。在北极地区同样可看到这一现象,一般称之为北极光。
  18世纪中叶,瑞典一家地球物理观象台的科学家发现,当该台观测到极光的时候,地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化,变化范围有1度之多。与此同时,伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为,极光的出现与地磁场的变化有关。原来,极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果。太阳风是太阳喷射出的带电粒子,当它吹 到地球上空,会受到地球磁场的作用。地球磁场形如漏斗,尖端对着地球的南北两个磁极,因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个"漏斗"沉降,进入地球的两极地区。两极的高层大气,受到太阳风的轰击后会发出光芒,形成极光。高层大气是由多种气体组成的,不同元素的气体受轰击后所发出的光的前面色不一样。例如氧被激后发出绿光和红光,氮被激后发出紫色的光,氩激后发出蓝色的光,因而极光就显得绚丽多彩,变幻无穷。
  太阳是一个炽热的火球,在太阳的外层大气里,温度可超越一百万度。在这称为日冕的大气层里,原子 (主要是氢) 因为高温电离了,变成了一团充满了自由离子 (主要是质子) 和电子,既高温又非常稀薄的气体。太阳日冕的爆发不断把这些离子和电子拋射出太空,形成所谓太阳风。这些带电粒子带同太阳的磁场,走过了差不多两天的路程才来到地球。电子遇上了地球的磁场后又会被俘虏,最后被牵引至地球南、北极附近,与大气高层的粒子碰撞,形成绚丽的极光。因此,极光的出现与太阳的活动息息相关。太阳的活跃周期为十一年,即每隔十一年,太阳的活跃程度便会到达高峰。在这些太阳暴怒的时候,它的表面可能发生一些称为耀斑的高能爆发,伴随着爆发的是大量在日冕中的带电粒子被拋射出太空。这些极高能的粒子可能带来了比平时大千倍的能量,使极光变得非常灿烂,高度也增加了,甚至在美国也可看到。
  科学家已经了解到,地球磁场并不是对称的。在太阳风的吹动下,它已经变成某种"流线型"。就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩,相反方向却拉出一条长长的,形似慧尾的地球磁尾。磁尾的长度至少有1,000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的偶合作用,变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具"冻结"磁力线特性,所以,太阳风粒子不能穿越地球磁场,而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时(如耀斑爆发),常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速,并沿磁力线运动。从极区向地球注入,这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子,使后者被激发--退激而发光。不同的分子,原子发生不同颜色的光,这些单色光混合在一起,就形成多姿多彩的极光。事实上,人们看到的极光,主要是带电粒子流中的电子造成的。而且,极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻,可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束,地球大气为电视屏幕。地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如,通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源,粒子种类,能量大小,地球磁尾的结构,地球磁场与行星磁场的相互作用,以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。
  右图显示了地球磁场与太阳风的磁场相互作用,产生了几个区域。地球磁场被太阳风的磁场塑造成彗星状的区域,两者的磁力线在区域的边沿 (称为磁顶) 交接。当太阳风经过磁顶时 (右下图),带电粒子受磁场的磁力影响,质子会偏移至图四的右方,而电子则偏移至左方 (你还记得如何从右手法则决定带电粒子在磁场中的运动方向吗?) 这些电荷的分离造成了正负两个电极,产生了从正极流向负极的电流。但这电流并非直接流通两电极,而是绕过一条很有趣的路径﹕电流首先受地球磁场的影响,沿着磁力线回旋至电离层,在电离层形成一个椭圆状的导电信道,称为极光带,最后电流主要从椭圆的另一端离开,流至负极。极光就是在极光带里产生的,这个以北极为中心的环状区域由北纬60°伸延至北纬75°左右,在南极附近也有一个类似的区域。因此极光只有在极北或极南的地域才可看到,在赤道附近,很难看见。
  极光的形成与太阳活动息息相关。逢到太阳活动极大年,可以看到比平常年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬度较低的地区,也能有幸看到极光。2000年4月6日晚,在欧洲和美洲大陆的北部,出现了极光景象。在地球北半球一般看不到极光的地区,甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜,红、蓝、绿相间的光线布满夜空中,场面极为壮观。虽然这是一件难得一遇的幸事,但在往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩,在许多地区还造成了恐慌。据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说,当夜德国莱茵地区以北的警察局和天文观象台的电话不断,有的人甚至怀疑又发生毒气泄漏事件。这次极光现象被远在160公里高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现,并发出了预告。在北京时间4月7日凌晨零时三十分,宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠过,而且该太阳风突然加速,速度从每秒375公里提高到每秒600公里,一小时后,这股太阳风到达地球大气层外缘,为我们显示了难得一见
的造化神工。

  不仅太阳风在地球的两极生成美丽的极光,太阳风对太阳系的其它行星也会产生极光,下图就是通过太空望远镜拍摄到的木星和土星的极光带。

四、无法忘怀的极光
  美丽神奇,多姿多彩的极光永远也看不够。下面让我们再来欣赏几幅极光照片。
    

     
     
   
南极极光
         

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