极光是如何产生的太阳似乎是极光产生的原因(极光是如何形成)

导语：极光是如何产生的？太阳似乎是极光产生的原因之一

人类观赏极光已经有数千年的历史了，不过，一个根本的问题是，极光是如何产生的?太阳似乎是极光产生的原因之一。

数十年来，太空科学家已经知道，在太阳活动较为旺盛的时候，极光的出现也较为频繁。在地球表面，我们可以藉由观测极光来监测太阳的活动。

许多教科书将极光的成因，归咎于从太阳发射出的带电粒子受到地球磁场导引射人极区所致。

有些插图甚至直接描绘粒子如下雨般落人极区。这种说法十分符合直觉，也十分具有说服力，但是，这种解释是不正确的。

根据过去一个世纪的研究，科学界对于极光的成因大致上已经达成共识。不过，让人惊讶的是，几乎所有中小学的课本，甚至某些大学普通天文学的教科书，其中对于极光的描述都没有按照这项共识来提供正确的成因。

1896年，挪威物理学家伯克兰提出，从太阳黑子产生的电子形成电流，冲人地球大气而导致极光的产生。事实上，他所提出的解释只对了一半。

后来，他的学生艾尔文利用英国物理学家查普曼于1930年提出的关于太阳风和地球磁层的模型，指出电流不是来自太阳。根据艾尔文的理论，所谓的伯克兰电流实际上来自磁尾。在20世纪四五十年代，这项理论的争议很大。直到1974年，藉由“探险者12”号卫星所得到的资料才证实了艾尔文的解释是正确的。

现在就让我们来看看极光究竟是如何形成的。

在太阳风的吹拂下，地球磁层会形成类似彗尾形状的磁尾。就像一条被过分拉长而断裂的橡皮筋会快速回弹，磁尾的磁力线也会不断发生被拉扯与重连的现象。在磁力线重连的过程中，磁能会转化为粒子的动能，大量的能量会灌注到附近的带电粒子，其中有些粒子就会沿着磁力线被加速而冲入极区。于是，这些高能粒子就在高空和氧或氮原子碰撞而产生极光。

换一个角度来看，人类就像是生活在大自然的彩色电视影像管中。地球的大气相当于荧光屏，由磁尾来的粒子就相当于影像管中的电子。

本文的重点在于，由太阳而来的粒子通常不是我们在晚上所见极光的直接来源。也就是说，许多书本或报刊上的描述都是错误的。实际上，极光的产生是由背对太阳的磁尾中的带电粒子加速冲人大气所造成。

极光的颜色由以下四个因素决定；入射粒子的能量；大气中的原子和分子在不同高度的分布状况；大气中原子和分子本身的特性：大气的密度不均匀，基本上越接近地表密度越高。

入射粒子的能量高低决定了粒子能够冲人大气层的深度，因此决定了极光产生的高度；而大气成分随高度的变化决定了人射粒子比较可能会撞击到哪种原子或分子，因此决定了可能发出的极光波长。此外，大气粒子本身的特性也很重要，这些特性直接决定所发出光的颜色。

另外，大气密度也会影响极光的颜色。由于高层大气密度较低，发光的过程不会受到原子和分子彼此碰撞的干扰。不过，距离地表越近，大气密度越高，分子之间的撞击就较为频繁，这会使得某些波长的光比较不容易产生。

决定极光颜色的主要因素之一，就是不同种类分子在大气中的垂直分布状况。接近地表之处，大气的组成十分均匀，78％是氮分子，21％是氧分子，这样的组成直到高度约100千米为止都是如此。在更高之处，来自太阳的高能紫外线会将大气分子分解成原子，不同种类的原子受到重力影响而产生不同的分布，较轻的原子会分布在上层。

在大气层的最顶端，也就是在距离地表500千米以上，氢与氦原子占了大部分；距离地表200千米—500千米之间；氧原子的数目最多；在100千米～200千米之间，则是氮分子的数目最多，其余主要是氧原子和氧分子；60千米～100千米主要由氧分子和氮分子构成。

知道了以上大气的分布，读者应该就能猜到，高度介于60千米～100千米的极光，主要的光应该来自氧和氮分子；100千米～200千米的极光主要由氮分子和氧原子所贡献；在200千米以上，极光主要来自氧原子，少部分来自氮分子；在大气的最高层，氢与氦原子也会产生极光，不过这些光十分微弱，肉眼不容易见到。

大气的密度也是决定极光颜色的重要因素之一。在地表附近，每立方厘米的空气约有高达1019个分子。大气密度随着高度而降，低，在距离地表50千米处，密度下降1000倍。到了100千米处，密度更是比海平面降低200万倍。不过，到了200千米的高空，每立方厘米仍然有100亿颗气体粒子。相较之下，太阳风粒子的密度仅约为每立方厘米5颗。

尽管150千米以上的高空仍然有许多气体粒子，粒子之间的撞击已经不像低空那样频繁。碰撞会影响极光颜色，这是由于撞击会把处于激发状态的原子或分子的能量夺走，而这些能量原本是会放射出特定颜色的光。由于氧原子第一激发态的存在期长达110秒，在这段时间内如果受到其他原子撞击，就会失去能量而无法放出波长6300埃的红光。在200千米以上的高空，碰撞频率很低，所以影响不大，但是在比较低的高度，红色光就明显受到抑制。

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