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美丽的极光形成之谜

2016-03-03| 查看: 3295| 评论: (0)

极光是一种常常出现于靠近地磁极地区上空大气中的彩色发光现象,一般是带状、孤状、幕状或放射状。这些形状有时稳定有时作连续性变化。极光是来自太阳活动区的带电高能粒子流(可达10千电子伏)使高层大气分子或原子激发或电离而产生的。由于地磁场的作用,这些高能粒子转向极区,因此极光常见于高磁纬地区。在大约离磁25~30的范围内常出现极光,这个区域称为极光区。在地磁纬度60°~45°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。


极光的下边界的高度,离地面不到100公里,极大发光处的高度为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1,000公里以上。根据近些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形,而是更象卵形。极光的光谱线范围约为3100-6700埃。其中最重要的谱线是5577埃的原子氧绿线称极光绿线。极光的出现同磁暴、地冕、太阳风和宇宙线有关,因而也同太阳活动有关。


极光作为一种天象,自古以来为人注目。但对极光及其空间物理现象的研究取得重大进展,则是最近二、三十年的事。在太阳创造了光和热等能量的同时,也产生了一种能量叫“太阳风”。这是一种覆盖整个太阳系的强大的带电亚原子颗粒流,该太阳风以大约每秒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撞击而发光,在南极地区形成著名的南极光。其英文名字为“Aruora Australis”。在北极地区同样可看到这一现象,一般称之为北极光,其英文名字为“Aurora Borealis”。


太阳风作用于地球上层大气的稀薄气体,其产生的光与不同的气体相对应,在空中显出黄绿色、蓝色和红色等。通过极光我们了解到,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,形似彗尾的地球磁尾,磁尾的长度至少有1000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,使后者被激发而发光。不同的分子,原子发出不同颜色的光,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和质子造成的。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。科学家可以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。从极光的强度和分布就能知道地球磁尾的结构,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信息。


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