绚丽的极光

在地球南北两极附近的上空,夜间常会出现灿烂美丽的光辉。有时候它像一条条彩色的光带,有时候它又像一团团火焰,轻盈飘荡,忽暗忽明。这就是极光。

人们很早就知道极光,但对极光的成因一直没有认真的了解,所以,把极光看做是很神秘的现象。在西欧，中世纪早期的人相信,极光是骑马奔驰越过天空的勇士。北极地区的因纽特人则将极光看做是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的。随着科技的进步,极光的奥秘才真正地被揭示了出来。原来,这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的杰作。

产生极光的根本原因是: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引起它们发光。具体说来就是:这些高能粒子与空气中的氧和氮等原子发生碰撞作用,将氧和氮原子的外层电子打出去,使氧和氮原子激发成激发态的离子，这些激发态离子很不稳定，它们会从外界俘获新的电子而还原成原子,在这过程中，先前被激发而吸收的多余的能量就以发光的形式释放出来。原先被激发的电子可能处在不同的电子亚层,其能态是不同的,这样,回复到正常态时所发射的光的能量就不同,即光的波长也不同,于是就产生出不同颜色的光。太阳风里的粒子所带的能量是各不相同的,而不同的原子,其能量状态也不同,被激发的电子所在的位置也有不同的变化,所以，最后被激发出的光的颜色也千变万化。比如说,氧被激后常发出绿光和红光,氮被激后会发出紫色的光,氩激后发出蓝色的光。这些单色光混合在一起,就形成绚丽多彩、变幻无穷的极光。

为什么这种发光现象主要出现在极地上呢?这又是与地球的磁场有关。

我们知道,地球是一个很大的磁体,它有两个磁极,基本上与地理的南北极相重合。在南北极附近上空,地球磁场的强度特别弱,形成磁场“漏斗”,带电粒子很容易沿着这个漏斗沉降到两极地区。在这过程中,这些带电的高能粒子就与空气中的原子发生了前述的碰撞。

极光有帷幕状、弧状、带状和射线状等多种奇妙的形状。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。而其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。

极光为什么又会出现这样多种的形态呢?

这又与太阳风密切相关。太阳风实际上是太阳喷射出来的带电粒子流,它以大约每秒400公里的速度向地球奔袭而来。这股强大的粒子流可以被地球磁场聚集,反过来,它又可以强烈地影响到地球磁场的分布。

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,它会产生一定程度的扭动,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、形似彗尾的地球磁尾。磁尾的长度可以有1000个地球半径长。太阳风受这个扭曲了的磁场的作用,就会产生出不同形态的极光。

极光多数出现在地球上空90~130千米处,只有靠近地球南北极的地方才能见得到。但也有例外的情况,比如说,1959年就有这样的一次北极光,其高度是160 千米,宽度超过4800千米,极地以外的很多地方都能看得见。另外,在太阳活动盛期,中纬度地带也可能会看到极光,例如,在美国,南到北纬40度处还曾见过北极光。

在加拿大的丘吉尔城,一年约有300 个夜晚能见到极光;在我国最北端的漠河,也经常可以看到极光。