太陽風帶來的極光

        太陽風中的高能量粒子如果直接吹襲地球表面,對地球生命與態生具有即毀滅性的影響。但地球有磁場和大氣遮蔽,大部分的高能量粒子被阻隔在地球之外,少部分在地球的極區進入地球的粒子順著地磁的磁力線方向往兩極方向移動,這些帶電粒子到了電離層,與空氣分子相碰撞,空氣游離並發生瑰麗的極光(aurora),在這過程中高能粒子損失了大部分的能量,也降低了其傷害性。而地球磁層在太陽風的吹襲下,形成了迎太陽風面被壓縮而被太陽風面被拉曳的磁層結構(magnetosphere)。

    左圖;受太陽風吹襲,而成弧形擾動的地球磁層

        霓虹燈原理─極光的形成,與都市中霓虹燈管的發光原理一樣。霓虹燈管發光原理與都市中霓虹燈管的發光原理一樣。霓虹燈管之發光原理,是在燈管兩極加強電壓來加速電子。再藉著高能電子撞擊燈管中低密度的氣體粒子,使該氣體發光。類似地,高層大氣的密度甚低,來自太陽或地球磁層的帶電粒子,撞擊大氣的氣體原子或分子,使該氣體原子或分子暫時處於一種高能階態。由於這種激發態是一種「有一定生命期的『準穩定態』」,若氣體夠稀薄,在該準穩定態的生命期尚未結束前,該氣體粒子都未與另一個氣體粒子相碰撞,則該氣體粒子就會自發性的由目前的準穩定態跳到下一個較低能階的準穩定態或基礎穩定態,並且放出一定波長的光,這就是極光。

        為了更具體一點起見,我們可以把磁層看成是一個巨大無比的電視映像管,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,極區大氣就是映像管的螢光幕,極光就是電視螢幕上移動的圖像。但是,這裡的電視螢幕卻不是20吋或是29 吋,而是直徑為40000公里的極區高空大氣。通常,地面上的觀眾在某個地方只能見到畫面的五十分之一。在電視映像管中,電子束擊中電視螢幕,因為螢幕上塗有發光物質,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與原子,導致發光,人們便見到了極光的圖像顯示。在電視映像管中,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作用所造成的。

        由於高層大氣中,氧原子含量較高,因此我們看到的極光多為綠白色,也就是氧原子被電離之後發出的光顏色,而偶爾看到像閃電那樣的青藍色,則是氮原子電離後發光的顏色。而除了地球之外,天文學家們觀察到其他行星也有極光的現象。

                 

上圖:氧原子被電離後的白綠色極光     上圖:氮離子被電離後的青藍色極光      上圖:氧氣被高電子能打到激發血紅色極光

圖片來源:國立中央大學-太空虛擬科學館                

  左圖:哈柏太空望遠鏡所拍攝的木星極光帶     左圖:土星極光帶

圖片來源:國立自然科學博物館簡訊第150期

        長期觀測統計結果顯示,極光最經常出現的地方是南北地磁緯度67度附近的兩個環帶狀區域內,分別稱為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。在極光區所包圍的內部區域,通常稱為極蓋區,在該區域內,極光出現的機會反而比緯度較低的極光區來得少。在中低緯度地區,尤其是近赤道地區,很少出現極光,但並不是說完全觀測不到極光,只不過要數十年才難得遇到一次。1958210日夜間的一次特大極光,在熱帶地區都能見到,而且顯示出鮮豔的紅色。這類極光往往與特大的太陽耀斑爆發和強烈的地球磁爆有關。

         每一條極光弧都是由低緯(約50度至60度)的空中出現,逐漸加強其舞動,並同時向高緯(約可達80度)飄移,待其移開後,新的極光弧又在低緯的空中出現,如此周而復始,於是形成多條極光弧同時飛舞的壯觀場面。中國傳說中的龍,可能就是古人看到了活躍的極光後,所想像出來的神話動物。

         

上圖:成對出現的極光,飛機同時在紐西蘭與阿拉斯加上空所拍攝的南北極光。     上圖:被誤認成中國傳說中的龍的極光

圖片來源:國立中央大學-太空虛擬科學館