[圖文]科學解釋極光的形成











極光是南北極地區特有的一種大氣發光現象。極光在東西方的神話傳說中都留下了美麗的身影,現代科學的發展,使人類能夠用理性的眼光看待極光,對它作出科學的解釋。



長期以來,極光的成因機理未能得到滿意的解釋。在相當長一段時間內,人們一直認為極光可能是由以下三種原因形成的。一種看法認為極光是地球外面燃起的大火,因為北極區臨近地球的邊緣,所以能看到這種大火。另一種看法認為,極光是紅日西沈以後,透射反照出來的輝光。還有一種看法認為,極地冰雪豐富,它們在白天吸收陽光,貯存起來,到夜晚釋放出來,便成了極光。總之,眾說紛紜,無一定論。直到20世紀60年代,將地面觀測結果與衛星和火箭探測到的資料結合起來研究,纔逐步形成了極光的物理性描述。



現在人們認識到,極光一方面與地球高空大氣和地磁場的大規模相互作用有關,另一方面又與太陽噴發出來的高速帶電粒子流有關,這種粒子流通常稱為太陽風。由此可見,形成極光必不可少的條件是大氣、磁場和太陽風,缺一不可。具備這三個條件的太陽系其他行星,如木星和木星,它們的周圍,也會產生極光,這已被實際觀察的事實所證明。



地磁場分布在地球周圍,被太陽風包裹著,形成一個棒槌狀的膠體,它的科學名稱叫做磁層。為了更形象化,我們打這樣一個比方。可以把磁層看成一個巨大無比的電視機顯像管,它將進入高空大氣的太陽風粒子流匯聚成束,聚焦到地磁的極區,極區大氣就是顯像管的熒光屏,極光則是電視屏幕上移動的圖像。但是,這裡的電視屏幕卻不是18英寸或24英寸,而是直徑為4000公裡的極區高空大氣。通常,地面上的觀眾,在某個地方只能見到畫面的l/50。在電視顯像管中,電子束擊中電視屏幕,因為屏上涂有發光物質,會發射出光,顯示成圖像。同樣,來自空間的電子束,打入極區高空大氣層時,會激發大氣中的分子和原子,導致發光,人們便見到了極光的圖像顯示。在電視顯像管中,是一對電極和一個電磁鐵作用於電子束,產生並形成一種活動的圖像。在極光發生時,極光的顯示和運動則是由於粒子束受到磁層中電場和磁場變化的調制造成的。



極光不僅是個光學現象,而且是個無線電現象,可以用雷達進行探測研究,它還會輻射出某些無線電波。有人還說,極光能發出各種各樣的聲音。極光不僅是科學研究的重要課題,它還直接影響到無線電通信,長電纜通信,以及長的管道和電力傳送線等許多實用工程項目。極光還可以影響到氣候,影響生物學過程。當然,極光也還有許許多多沒有解開的謎。



極光被視為自然界中最漂亮的奇觀之一。如果我們乘著宇宙飛船,越過地球的南北極上空,從遙遠的太空向地球望去,會見到圍繞地球磁極存在一個閃閃發亮的光環,這個環就叫做極光卵。由於它們向太陽的一邊有點被壓扁,而背太陽的一邊卻稍稍被拉伸,因而呈現出卵一樣的形狀。極光卵處在連續不斷的變化之中,時明時暗,時而向赤道方向伸展,時而又向極點方向收縮。處在午夜部分的光環顯得最寬最明亮。長期觀測統計結果表明,極光最經常出現的地方是在南北磁緯度67度附近的兩個環帶狀區域內,分別稱作南極光區和北極光區。在極光區內差不多每天都會發生極光活動。在極光卵所包圍的內部區域,通常叫做極蓋區,在該區域內,極光出現的機會反而要比緯度較低的極光區來得少。在中低緯地區,尤其是近赤道區域,很少出現極光,但並不是說壓根兒觀測不到極光。1958年2月10日夜間的一次特大極光,在熱帶都能見到,而且顯示出鮮艷的紅色。這類極光往往與特大的太陽耀斑暴發和強烈的地磁暴有關。
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