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极光

极光

极光（Aurora），是指在高纬度地区，高空中大气稀薄的地方出现的一种光的现象。由太阳发出的高速带电粒子受地球磁场影响，进入两极附近，激发高空中的原子和分子而引起。通常是弧状、带状或幕状，微弱时白色，明亮时黄绿色，有时还有红、灰、紫、蓝等色。四百年前伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）以罗马神话里的曙光女神欧若拉（Aurora）命名极光。

极光的产生与两方面有关，一是地球高空大气和地磁场的大规模相互激发作用，二是太阳喷发出来的高速带电粒子流（太阳风）。其绚丽程度与地磁暴的强度成正相关，磁暴会加剧高层大气微粒的活动，对航天器以及卫星的飞行造成阻力，除此之外，还会令短波通讯的信号大幅减弱。在太阳黑子活跃期或日冕物质抛射阶段，极光的亮度显著增加。由于地磁场的作用，这些高能粒子转向极区，故极光常见于高磁纬地区。极光的形态可分为四种：均匀的较稳定的极光弧、极光带，带有射线式结构的光帘幕、光弧等，弥漫状极光以及大的均匀发光面。观测极光的最主要影响因素是天气条件，没有空气污染，能见度良好的观测环境是观测极光的基础。最大概率观测到极光的地方是在南北磁纬度67度附近的两个环带状区域内，分别称作南极光区和北极光区。极光带呈环形，半径约2500公里。

研究极光对探索太阳和磁层有重要意义。黄河站极地研究人员通过连续14个冬季的观测数据，定义了新的极光结构——“喉区极光”。山东大学电离层—磁层耦合课题组利用该团队的高分辨率磁流体力学模型揭示了“马轭型”极光的形成与演化机理。2023年4月24日在新疆发生了一场特大地磁暴，引发了极光现象。

命名

极光的英文是欧若拉（Aurora），她是罗马神话里的曙光女神，四百年前伽利略·伽利莱以其命名极光。奥罗拉与月亮女神狄爱娜（Diana）是姐妹，她们的哥哥是太阳神阿波罗（Apollo）。在西方人的想象里，奥罗拉美丽轻灵，把她的芳名赐给极光，可以看出人们对极光的喜爱。

定义

极光是行星高磁纬地区大气中产生的彩色发光现象。通常指来自太空的高能带电粒子进入地球大气层后沿行星固有磁场进入两磁极与高层大气的气体分子和原子碰撞而形成的亮光。极光的典型形状为弧状或带状，颜色为白色或黄绿色，有时带红、灰、紫、蓝等色。

形态特征

形状

通常，极光的形态有四种表现，分别为稳定且均匀的极光弧、极光带，带有射线式结构的光帘幕、光弧、光柱、光带及日冕状光块等，弥漫状极光以及大的均匀发光面。

均匀稳定的极光弧、极光带，极光弧看起来底部整齐，略微弯曲呈圆弧状，极光带有弯扭褶，看起来和飘带很像。光弧与光带分布均匀，形状比较稳定，沿磁纬方向分布，极盖区近似沿太阳方向，厚度几千米至几十千米，长达1000千米，移动速度慢，氧原子绿线强度约几万瑞利。

带有射线式结构的光帘幕、光弧、光柱、光带及日冕状光块等。它们沿磁力线方向分布，平均厚度约200米，极光的亮度与厚度成反比，长度跨越较大，从数十千米到数百千米都有，移动速度快(50千米/秒)，氧绿线强度在100万瑞利以内。

弥漫状极光，主要指云形斑块群，沿磁纬方向分布，每块光斑面积在100平方千米左右，亮度最低，氧原子绿线强度约几十瑞利，只有很强的弥漫状极光，才能被肉眼看见。

大的均匀发光面，这一类中比较常见的是红色极光光面。

颜色

极光的颜色主要取决于大气中的气体分子、带电粒子的波长以及带电粒子进入大气层的深度。带电粒子通过和气体分子碰撞反应产生各种各样的颜色。带电粒子进入大气层后，在200千米以上的高空撞到氧原子，氧原子会发出红光，高度在100－200千米时，氧原子会发出黄绿色光，这种颜色也是极光最常见的颜色。碰撞到电离状态下的氮会发出蓝光，中性的氮分子受到撞击时发出的则是紫红色光。其它气体也会呈现各种颜色，如氖受到冲击时会发出红光，发蓝光，氦发黄光等。

声音

伴随北极光发生的还有一种神秘的声音，据听到过极光声音的人描述，这种声音是一种噼啪声，类似于含混不清的爆裂音，并且只持续一小段时间。极光声音并不会每次都伴随极光产生。它听起来距离我们很远，但是实际上，通过芬兰阿尔托大学（Aalto University）的科学家们探索发现，这种声音产生于距地面70米的空中。与此相比，北极光则是产生于距离地面120千米的高空中。芬兰气象研究所（FMI）还发现，地磁干扰会伴随北极光出现的同步出现。通过以上研究和检测记录，科学家们推测北极光声音产生的背后可能有着若干不同的原理。

极光形成

形成原理

产生极光的原因是太阳风携带的高能带电粒子（电子和质子）在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并在地球磁场作用下被吸引到地球磁极周围区域，荷电粒子在两极高空大气中与氧、氮原子发生撞击，将电子击走，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，以此产生带有红、绿、蓝等极光特征色彩的可见光。

形成条件

形成极光的三要素为大气、磁场、太阳风。

太阳风是一种等离子体，是太阳创造出的能量形式之一。它是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，太阳风盘旋在地球上空以每秒400千米的速度不停流动，冲击着地球磁场，并从极尖区进入地球磁尾，在地球磁场作用下，这些高能粒子向地磁极方向运动，从而导致带电粒子与地球高层大气发生化学反应。

地球磁场的形状类似于漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，它的作用之一就是削弱太阳风对地球生物的危害。当太阳风中的带电粒子来到气球上空时，与地球磁场产生作用，对抗过程中部分带电粒子被地球磁场捕捉，并下沉入这个“漏斗”中，沿磁力线进入地球的两极地区。

高层大气是由多种气体组成的，与太阳风发生作用后发出光芒，不同的分子、原子在受到冲击后所发出光的颜色也是不一样的。例如氧被碰撞后发出绿光和红光，氮被碰撞后发出紫色的光，氩被碰撞后发出蓝色的光，不同颜色的单色光混合在一起，就形成了绚丽多彩的极光颜色。

极光分类

按照极光的形态分为匀光弧极光、射线式光柱极光、射线式光弧光带极光、帘幕状极光、极光冕等；极光依性质可分为扩散极光和分立极光；按观测的电磁波波段分为光学极光和无线电极光，光学极光又分为可见极光和X射线极光；按激发粒子类型分为电子极光和质子极光；按照极光发生区域，分为极盖极光、极光带极光、中纬极光红弧等。

按形态分类

匀光弧极光

这种极光有着均匀静止的弧状外观，静止状态可保持几小时不变，光弧宽窄不一。当它出现在地面附近时，在光弧和地面中间可以看见一个下边缘明显的暗淡区，上边缘界限比较模糊，有时以单弧形式出现，一部分会在东端折返形成双弧，这种情况下光弧上下边缘常常是相似的。有时同时出现多个光弧，光弧间互相平行，组成横跨天空的大弧。

射线式光弧光带极光

射线式光弧极光由大量长短不一垂直于光弧的射线构成，拥有不规则且多变的形状，与保持静止状态的极光相比，它在天空中的位置无时无刻不在变化着，亮度也在发生不规则的变化。射线式光带极光由许多闪耀的射线构成，这些射线排列的紧密程度并不一致，有些很紧密，有些比较分散，射线较长时会发生扭结和折叠，在清晰的影像中，会有多个光带。

帘幕状极光

这种极光很薄，有时厚度不足1千米，长度却能达到上千千米。组成这种极光的射线很长，通常散发出绿黄色，亮度从下往上逐渐变弱，下边缘最亮，带有野蔷薇红色或紫色，整块光幕不断变幻闪烁，做着波浪式的运动，看起来像是一块巨大的帷幔在摆动。

极光冕

极光冕是射线或其它形态的光线在顶部会聚成的一个点，也称极光冠。

按照极光观测的电磁波波段分类

光学极光

可见极光

可见极光有3种基本类型：第一种是红色极光（A型极光），这种极光是由能量小于1000电子伏的电子激发生成的，主要光谱成分OI（3P-1D）波长为6300埃和6364埃，通常以弥散光弧光面形态出现，除个别发生在1000千米高度，一般分布在200－400千米高空。第二种是白绿色极光（普通型极光），以射线式结构为主，以OI（1D-1S）波长5577埃为主，其次是N2+第一负系，这种极光所含氧红线成分比较少，多数情况下呈现白绿色或浅黄绿色。分布高度下限在100千米左右，上限为140－180千米。第三种是下缘为红色的极光（B型极光），多为射线式结构，以N2+迈纳尔带为主，主要分布高度下限在90－110千米，但在65千米高度处也发生过。

X射线极光

这种极光是在高能电子突然遭到稠密的大气成分阻滞时产生的，由于过程中放射出X射线，所以称为X射线极光，它是电子的轫致辐射（带电粒子相互碰撞发生偏转而骤然减速时将其动能转化为光子的辐射），穿透力强，发生高度下限可达30－40千米。

按极光激发粒子类型分类

电子极光

这类极光指的是由电子（次级或初级电子）注入地球高层大气时激发的出来的，可见极光和X射线极光都是电子极光。

质子极光

高能质子冲入地球高层大气后被减速，其中能量为1万－10万电子伏的质子同氢原子或质子碰撞激发出的极光称为质子极光。质子极光的形态通常为微弱的弥漫状光带，发生范围在高度300－500千米之间。质子的谱线特别展宽，并伴随着向短波的频移（多普勒效应），质子极光长度为几百千米，宽度可达几千千米。

按照极光发生区域分类

极盖极光

极盖极光在磁静时的表现形式是日照极光，它发生在磁纬75°－90°，出现频率高，白天也可以看到。日照极光的主要光谱成分是红光和蓝紫光，高度上限可达1000千米。日照极光常见颜色是紫色，这是因为N2的振动结构在日光下有荧光现象。极盖极光的另一种表现形式为极盖辉光，是太阳色球爆发后喷出的100万－1亿电子伏的高能质子造成的，它出现在极地上空（有时延伸到磁纬60°），伴随云形光斑块，主要成分是3914埃。

极光带极光

极光带极光发生在磁纬60°－70°，出现频率高，是夜间极光，主要是普通型极光和B型极光。在地球两极与极光椭圆带接近但纬度较低的区域，有时也会发生粒子沉降和极光等现象，称为亚极光带极光。

中纬极光红弧

中纬度极光红弧是一种在地磁活动强烈时才可以看到的极光，发生在磁纬41°－60°地区。极光红弧外观均匀，红弧强度最大值在400千米左右，宽600千米、长1000千米以上，看起来像是围绕着地球，只有在红弧较强时肉眼才能看见。

极光现象

极光爆发

极光爆发是一种重要的极光活动现象。极光爆发发生时，极光从无到有，短时间内亮度迅速增强，位置发生剧烈变化，极光椭圆向地球赤道方向扩张，赤道一侧的静止极光弧在短时间内突然增亮形成大规模的射线式弧光带，然后极光椭圆再逐步收缩恢复到原来的状况。

小尺度极光

小尺度的极光包括只有100米大小的淡薄极光，尺度约1千米的多重弧状极光，尺度为1－10千米的旋涡状极光和0.1－10千米的黑色极光等。它们不像极光爆发那样，拥有绚烂美丽的外观，却同样揭示了来自太阳的高能带电粒子和地球大气相互作用的物理过程。

极光观察

观测区域

极光出现频度最高的地方位于在南北磁纬度67度附近的两个环带状区域内，分别称为南极光区、北极光区。其次是大约离磁极25°－30°的范围内，这个区域称为极光区。地磁纬度45°-60°之间的区域称为弱极光区，地磁纬度低于45°的区域称为微极光区。

典型观测地

北半球以阿拉斯加州、北加拿大、西伯利亚地区、格陵兰冰岛南端与挪威北海岸为主，其中阿拉斯加、北加拿大是最佳观测地，阿拉斯加的费尔班（Fairbanks）更是拥有“北极光首都”的美称，一年之中有超过200天的极光现象，南半球则集中在南极洲附近。在中国，黑龙江省漠河市是观测极光的的最佳地点。

观测方法

影响极光观测的最大因素是天气条件。能见度良好，天空少云或无云，没有空气污染的观测环境是观测极光的基础。极光的最佳观赏时间为每年的2月、3月、10月的晚上6时至凌晨1时，避免满月和有许多其他光源的地方。室外温度10 ℃－15 ℃为宜，拍摄工具可以准备单反相机、广角镜头、三脚架、快门线、头灯或者小手电、随身小相机等。