美丽的北极光

去过北欧国家旅行的人，如果运气足够好的话，可以看到壮丽的极光。那一条条绿色红色紫色的光带像巨大的窗帘从高空垂下、在夜空中舞动，令人仿佛置身于魔幻般的世界。

美丽的极光

极光是如此美丽，令人目眩神迷。但极光并不是每天都有，许多人在挪威、瑞典、芬兰呆了十几天都见不到极光，而有些人一去就看到了，这到底是为什么呢？

美丽的极光

极光是一种天文物理现象，判断极光出现的时间和地点，我们首先要了解科学，了解太阳。太阳是地球上光的源头，也是极光产生的主要因素之一。

美丽的极光

极光的源头

古人并不了解极光产生的科学原理，他们认为夜空中律动的光带是离世的朋友在空中舞蹈的灵魂，当光带越发明亮，就意味着死者的灵魂很高兴。

灵魂的舞蹈

实际上，极光产生的源头距离地球有1.5亿公里，那里是太阳。

在宇宙中，太阳算是颗比较安静的恒星。当然恒星的的平静是相对的，由于内部剧烈核聚变产生不稳定的对流，太阳有时候会发生耀斑爆发和日冕物质喷发。

我们将太阳喷射出来的物质称作太阳风。太阳风中携带着电离状态的质子、自由电子和α粒子。你知道太阳最主要的成分就是氢和氦，质子其实就是氢的原子核，而α粒子则是氦的原子核。这两种原子在太阳表面几百万摄氏度的高温下被电离，以750公里/秒的速度被吹向太空，横扫整个太阳系。

太阳耀斑和日冕物质喷发

太阳风是超音速的，它通常在几天之后到达地球，所以我们在地球上可以对它进行预报。这不仅为我们在航天器、地面电网系统等设备的保护争取了时间，也可以为你去北极欣赏极光提供参考。

太阳风具有强大的破坏力，它扒光了月球的大气，也使火星变成一颗空气稀薄的荒凉星球。当太阳风到达地球时，它携带的能量常常需要以太瓦时计算，我们之所以几十亿年来安然无恙，全依赖地球磁场和大气层的保护。

太阳风吹袭地球磁场

地磁风暴

如果你问一个地球物理学家：“极光是怎么产生的？”他一定会告诉你，极光是因为地磁风暴而表现出的一种大气现象。

当太阳风吹袭地球时，它首先会遇到地球磁场的顽强抵抗。因为太阳风是带电粒子流，它会被磁场偏转，所以我们地球的磁场可以阻挡绝大部分的破坏性高能粒子。

在大多数时间里，地球的自转轴都倾斜着面对太阳，地球的磁极与地理南北极方向相反，总体上在地理南北极圈的范围之内。太阳风压迫地球磁场，会在地球向阳的一侧形成弓形激波，而在背光的一面形成长长的磁尾。

地球磁场百密一疏

地球磁场的保护并不总是密不透风，在南北极圈附近，有一圈被称为“磁尖”的区域，那些高能太阳风粒子会在太阳磁场的作用下顺着地球磁力线的方向从磁尖缝隙射向地球，直达地球大气的电离层。

太阳高能粒子从磁尖区进入大气层

电离层

你可能听说，地球大气层的厚度是100公里。实际上这个高度只是因为空气比较稠密而被称为“卡门线”，在这条线往上直到1000公里的高空都存在稀薄的空气，这里是地球极为重要的电离层。

电离层是由于强烈的太阳紫外线、X射线和较短波长的射线照射，辐射能电离了大气层上部的空气分子，剥离原子最外边的电子而形成的离子层。白天电离层较厚，夜晚因为太阳辐射能较低，空气相对稠密地带的自由电子更易被正离子捕获重组，F1区消失，只剩下F2区，所以夜晚的电离层要薄一些。

电离层分区的昼夜变化

电离层位于地球磁场的下方，当太阳风的高能粒子冲破磁场的护盾，就会顺着“磁尖”到达地球南北极大气的电离层。

在电离层的F区，有大量分子离子O₂ ⁺、NO⁺和原子离子O⁺，当强烈的地磁风暴袭击这个区域时会破坏它，甚至使F区完全消失。

极光的颜色

太阳耀斑和高能粒子喷射产生大量质子，这些携带着强大能量的质子以极快的速度到达地球、挤压地球磁场，其中一部分顺着磁尖到达南北极附近的大气电离层。质子在进入大气层之后会与电离层中的气体离子发生碰撞，从而发出光来。

极光的颜色与空气分子有关

正常情况下，电离层的空气离子并不会释放光子，除非它们捕获自由电子额外获得能量。而当太阳风的高能粒子撞击这些空气离子，会使它立刻跃迁到更高的能级，离子在从高能级回落的过程中会释放出光子。

我们看到颜色的不同主要取决于光子的频率，在可见光的范围里，光子的频率越高、波长越短，它的颜色就更偏向紫色、蓝色和绿色；同样地，光子的频率越低、波长越长，它看起来就显示出橙红色。

不同波长的光子有不同的颜色

当太阳风的质子撞击氮原子时，它会释放出蓝色的光子；氮气分子会释放紫色光子；而当这些高能粒子继续向下，撞击到氧气时，就会发出绿色和黄色的光来。

极光的颜色与海拔高度也有关系，一般来说红色光会出现在250公里以上的高空，绿光通常在100~250公里之间的区域，蓝色和紫色光会出现在100公里左右的地方。

极光颜色与海拔高度也有关系

赤道地区为什么看不到极光？

因为地球磁场分布的缘故，在低纬度地区，地磁线会在太阳风的作用下产生弓形激波。它像一面无形的盾一样保护住地球，太阳粒子无法穿透这面盾牌，因此不能激发空气分子产生光子。

地磁场这面盾并不完美，准确地说它像一个漏斗，太阳的高能粒子沿着磁尖到达两极，进而产生极光。

从太空看极光

极光的产生还取决于太阳风的强度，你只有在太阳耀斑爆发之后才有机会看到绚丽的光芒，如果磁爆足够强烈，我们甚至可以在中国的东北地区看到极光现象。