极光：大自然壮观灯光秀背后的科学原理

极光由太阳风和地球磁层产生，颜色代表大气粒子的能量水平。 太阳活动周期对这些光的强度和频率起着至关重要的作用。

我们现在知道，极光是地球磁层和太阳风中的带电粒子与高层大气中的粒子碰撞时产生的。 这些碰撞激发了大气中的粒子，当它们恢复到正常的、未被激发的状态时，就会释放出光。

来自太空的极光

极光的颜色取决于大气粒子在碰撞过程中吸收了多少能量。 每种颜色都代表了特定的能量释放量。

极光受太阳活动的影响，太阳活动周期为 11 年。 我们刚刚到达太阳周期 25 的太阳活动最大值，这可能会导致更频繁、更强烈的极光现象。

长期以来，北美、欧洲、亚洲和澳大利亚各地的人们都记录了这种现象。

《狐火》是一部短片，灵感来自芬兰民间故事中的极光。

17 世纪，关于极光成因的科学解释开始浮出水面。 可能的解释包括地球大气层中的空气从地球阴影中升起，变成太阳光（伽利略，1619 年），以及高空冰晶的光反射（笛卡尔和其他人）。

1716 年，英国天文学家埃德蒙-哈雷（Edmund Halley）首先提出了与地球磁场可能存在的联系。 1731 年，一位名叫 Jean-Jacques d'Ortous de Mairan 的法国哲学家注意到太阳黑子的数量与极光之间的巧合。 他提出极光与太阳大气层有关。

正是在这里，太阳活动与地球极光之间的联系被联系起来，从而产生了现在被称为"太阳物理学"和"空间天气"的科学领域。

极光最常见的来源是在地球 磁层（地球的天然磁场所占据的空间区域）内飞行的粒子。地球磁层的图像通常显示磁场"气泡"如何保护地球免受空间辐射，并排斥太阳风中的大多数干扰。 然而，通常没有突出显示的是，地球磁场本身包含大量带电粒子（或"等离子体"）。

磁层由从地球高层大气中逸出的带电粒子和从太阳风中进入的带电粒子组成。 这两种粒子都被困在地球磁场中。

带电粒子的运动受电场和磁场控制。 带电粒子绕着磁场线旋转，因此从大尺度来看，磁场线就像是等离子体中带电粒子的"管道"。

地球磁场类似于标准的"偶极"磁场，磁场线在两极附近聚集在一起。 这种磁场线的聚集实际上改变了粒子的轨迹，有效地使粒子掉转方向，原路返回，这个过程被称为"磁镜像"。

在安静和稳定的条件下，磁层中的大多数粒子都会被困住，在太空中的南磁极和北磁极之间愉快地跳动。 然而，如果太阳风中的扰动（例如日冕物质抛射）给磁层来了个"重击"，磁层就会受到干扰。

被困粒子被加速，磁场"管道"突然发生变化。 原本在南北之间欢快跳动的粒子，现在跳动的位置被移到了低空，那里的地球大气变得更加稠密。

因此，带电粒子在到达两极地区时，很可能会与大气中的粒子发生碰撞。 这就是所谓的"粒子沉淀"。 然后，当每次碰撞发生时，能量就会转移到大气粒子上，使它们兴奋起来。 一旦它们放松下来，就会发出光线，形成我们看到的美丽极光。

令人惊叹的极光在天空中飞舞，这是太阳风和磁层之间复杂相互作用的结果。

极光出现、消失、变亮以及形成幕布、漩涡、篱笆和行波等结构，都是地球磁层与太阳风相互作用时无形的、不断变化的动态的直观表现。

正如这些视频所示，极光有各种各样的颜色。

最常见的是绿色和红色，它们都是由高层大气中的氧气发出的。 绿色极光出现在接近 100 公里的高空，而红色极光出现在 200 公里以上的高空。

蓝色是由氮气发出的，氮气也会发出一些红色。 由于这些发射物的混合作用，还可能产生一系列粉色、紫色甚至白色的光。

照片中的极光更加绚丽，这是因为相机传感器比人眼更加灵敏。 具体来说，我们的眼睛在夜间对颜色的敏感度较低。 不过，如果极光足够明亮，肉眼也能看到。

即使在安静的空间天气条件下，极光在高纬度地区也会非常明显，例如在阿拉斯加、加拿大、斯堪的纳维亚和南极洲。 当发生空间天气扰动时，极光会迁移到更低的纬度，在美国大陆、欧洲中部，甚至澳大利亚南部和澳大利亚大陆都能看到极光。

空间天气事件的严重程度通常控制着极光可见地点的范围。 最强烈的事件是最罕见的。因此，如果您对捕捉极光感兴趣，请留意当地的空间天气预报（美国、澳大利亚、英国、南非和欧洲）。 社交媒体上还有许多空间天气专家，甚至还有捕捉极光的公民科学项目（如 Aurorasaurus ），您可以为这些项目做出贡献！

澳大利亚中部难得一见的极光，前景为乌鲁鲁。

让我们走出户外，亲眼目睹大自然真正的自然美景之一--极光。

作者：Brett Carter，皇家墨尔本理工大学副教授

皇家墨尔本理工大学副教授 Brett Carter

伊丽莎白-麦克唐纳（Elizabeth A. MacDonald），美国国家航空航天局（NASA）太空物理学家。

改编自最初发表于 The Conversation.的文章。