潮科技 | 极光 —— 美丽的威胁

编者按：本文来自微信公众号“中科院之声”（ID：zkyzswx），作者：李志涛；36氪经授权转载。

在南北两极附近地区的夜晚，偶尔可以看到几条光带横跨天空，把黑暗的夜空照得一片光亮，这种壮丽动人的景象就是极光。极光是人们能看到的最美丽、最不可思议的自然现象，也是太阳风暴期间在地面唯一可以用肉眼看到的日地空间现象。极光越壮观，往往标志着太阳爆发越剧烈。

神秘的极光

极光是一种神秘的天象，自古以来为人所瞩目。许多世纪以来，不同地方的人都有自己的极光记载和传说。

“触龙”下凡（源自www.dekowizja.pl）

人们所知最早的极光记录于公元前2600年。在我国古书《河图稽命征》中说道：“附宝（黄帝的母亲）见大电光绕北斗权星，照耀郊野，感而孕二十五月，而生黄帝轩辕于青邱。”在先秦古书《山海经》中提到，极光是一位名叫“触龙”的神仙，形貌如一条红色的蛇：“人面蛇身，赤色，身长千里，钟山之神也”。

“极光”这一术语来源于拉丁文“伊欧斯”这个词。传说“伊欧斯”是希腊神话中“黎明”的化身，是希腊神“泰坦”的女儿，太阳神和月亮女神的姐姐。“极光”这一名称却来源于罗马神话中的织架女神“奥罗拉”（Aurora）, 她掌管极光，代表旭日东升前的黎明。那么，如此美丽迷人的光辉是如何发出的呢？

极光女神“厄俄斯”（但丁·加布里尔·罗塞蒂画）

极光是怎么产生的？

极光这一天象之谜，直到最近这些年才逐渐有了合理的解释。其实，这还要从这些光能的来源——太阳说起。从太阳上喷发出来的大量带电粒子，以每秒几百公里的速度吹向行星际空间，形成太阳风。到达地球附近的粒子不断撞击地球磁场，并环绕地球流动。在太阳风的吹动下，地球磁场不再是对称的，已经变成某种“流线型”。由于与行星际磁场的相互作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个磁力线集中的“漏斗区”。当磁层出现扰动时，磁尾的带电粒子被加速，沿磁力线运动，如流水般顺着漏斗边缘倒入“漏斗区”，并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，于是便产生了这种“鬼怪之光”。

粒子沉降在两极漏斗区（作者自画）

当太阳风暴发生时，磁层扰动变得剧烈起来，发生地磁暴。这时，就会激发出更多种颜色的单色光。这些光混合在一起，便出现了五颜六色、奇异壮观的极光，就像五彩的霓虹灯一样。

极光的产生（作者自画）

用一个形象的比喻，可以说极光活动就像地球磁层活动的实况电视画面。地球磁层是一个巨大无比的电视机显像管，将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成束，聚焦到地球的两极地区。沉降粒子为电视机的电子束，地球磁场为电子束导向磁场，地球极区大气为荧光屏，极光则是电视屏幕上移动的图像。住在南北两极地区的人们每天都可以收看到这天然的巨幅电视。

电子束打击荧光屏发光（源自百度图片）

极光与太阳风暴

极光是迷人的。然而，在这美丽极光的背后，却隐藏着许多潜在的威胁。实际上，极光的出现，伴随着的是大量带电粒子涌入地球的大气层。极光越壮观，往往意味着太阳风暴越厉害。

在地磁平静时期，地球两个“漏斗区”沉降的粒子比较少，出现的极光也比较平淡无奇。如果我们乘坐宇宙飞船，跨越地球的南北极上空，从遥远的太空向地球望去，就会见到围绕地球磁极存在一个闪闪发亮的光环，这个环就叫做“极光卵”，大约在南北纬67度附近。来自磁尾的沉降粒子大部分沉降在午夜侧，因而处在午夜部分的极光卵显得最宽最明亮。极光最经常出现的地方就是在这两个卵状区域内，分别称作北极光区和南极光区。

平静时的极光卵（源自美国SWPC网站）

平常能见到的大多数极光是绿色的底边整齐微微弯曲的圆弧状的极光弧，或者是有弯扭褶皱的飘带状的极光带。

南极上空的绿色极光带（张建松摄）

国际空间站上拍到的犹如长蛇状的北极光弧（源自：NASA / SPL/ BARCROFT MEDIA LTD）

极光卵所包围的内部区域是极盖区，也就是最接近并包围南北极点的区域。在这个区域内，极光出现的机会反而要比纬度较低的极光区来得少。也就是说在南北极的核心地区，反而不容易观看到极光。

太阳风暴期间，会有数量更大的源自太阳的太阳风带电粒子涌入到地球磁尾中。倒进地球“漏斗区”的粒子涓涓细流，这时候变成了奔泻而下的粒子洪水。大量的不同能级的带电粒子冲入地球的大气层中，与更多的大气成分如氮、氖、氦等分子或原子撞击，产生各种各样的极光。此时，南北极光卵会向低纬方向伸展，在许多以往看不到极光的地区，也能有幸看到美丽的极光。

太阳风暴时的极光卵（图片截自影片Discovery.Naked.Science.Solar.Storm）

不同种类的带电粒子与各种各样的气体分子和原子冲撞，就会发出不同颜色的光，导致极光颜色的多样。比如，带电粒子同氧原子碰撞就会激发出绿色或者红色的光。巨量的粒子冲撞发生在广袤的地球大气层空间中，会导致极光形态的多样，如云朵一般的片朵状的极光片、沿磁力线方向的射线状的极光芒、面纱一样均匀的帐幔状的极光幔。

北欧拉普兰德上空射线状的灿烂极光芒（源自https://ecophiles.com/）

冰岛艾雅法拉火山上空的极光幔（源自美国MSNBC网站）

阿拉斯加上空的蓝色极光片（源自www.mimski.com/）

1859年8、9月间，爆发了历史上最厉害的太阳风暴——卡林顿事件。在这期间，北美洲、欧洲、亚洲、澳大利亚部分地区都观测到了极光。在美国落基山脉，极光的亮度足以让人看清常见的字体，一些人坚持认为这是日光，并且开始准备早餐。”在纽约市，数千人跑到大街上或屋顶上观看他们多年从未见过的绚丽天空，纽约时报说：“人一辈子中仅能见到一次或两次这样的极光。”地处北纬23度的古巴哈瓦那的人们看到那晚天空鲜血般红，像被大火映红一样。

美国阿卡迪亚国家公园上空的红色极光（Michael Melford摄）

极光的背后

极光虽美，也只是太阳风暴的副产品，它带来的危害更值得我们关注。越绚烂的极光对应着越强烈的地磁暴，从而会导致长距离输电线路中产生强力电流，容易使整个电网范围内的变压器同时发生故障，使电力传输线受到严重干扰，从而导致某些地区暂时失去电力供应。1989年的强极光出现在加拿大魁北克上空，伴随而来的地磁暴便使魁北克全省的供电系统瘫痪，600万加拿大人长达9小时无电可用。

1989年魁北克大停电（截自影片Discovery.Naked.Science.Solar.Storm）

大量带电粒子轰击地球大气，会影响电离层反射短波无线电的能力，使短波通讯受到干扰或中断。另外，带电粒子的轰击加热了地球高层大气，使得大气膨胀，增加了卫星的空气阻力，使卫星的高度降低，缩短了卫星的寿命。了解极光，对于了解地球外层空间结构、掌握空间天气、减少太阳风暴对地球的影响以及保障飞行器在外层空间的安全等，都有着重要的意义。

小彩蛋——看极光的好地方、好时间

从极光的产生原理，可以看出看极光的好地方不在极区，而在极光卵区域。例如以阿拉斯加、北加拿大、西伯利亚、格陵兰、冰岛南端与挪威北海岸为主的北极光区；在南极洲附近的南极光区。其中，阿拉斯加的费尔班更赢得“北极光首都”的美称。

我国最北端的漠河，地处北纬53度，但由于磁纬只有40多度，只有在发生比较强烈的地磁暴时，才能有幸观察到极光。

漠河上空的极光（黄桂林摄）

现在我们知道了地磁暴期间极光出现的可能性较大，那么如何提前知道地磁暴的时间呢？根据中科院空间环境预报中心的预报经验，地磁暴主要是由日冕物质抛射或冕洞高速流引起的。而日冕物质抛射到达地球的时间需要1-3天，冕洞高速流往往有27天的重现性周期，因此根据上述时间就能简单地预判地磁暴的出现时间。

简单一点，可以访问www.sepc.ac.cn网站提前查看未来三天地磁活动的预报状况，以便尽早安排自己的极光旅程！

来源：中国科学院国家空间科学中心