極光出現?

極光(Polar aurora)出現於地球的高磁緯地區上空。是一種絢麗多彩的發光現象。由來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流（太陽風）使高層大氣分子或原子激發(或電離)而產生。另外，在太陽黑子多的時候，極光出現的頻率也大。

圖片參考：http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Auroraborealissm.jpg/180px-Auroraborealissm.jpg

光是地球周圍的一種大規模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達地球附近，地球磁場迫使其中一部分沿著磁力線集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣時，與大氣中的原子和分子碰撞並激發，產生光芒，形成極光。
極光不只在地球上出現，太陽系內的其他一些具有磁場的行星上也有極光。
在北半球觀察到的極光稱北極光，南半球觀察到的極光稱南極光。
極光按形態可分為：

勻光弧極光
射線式光柱極光
射線式光弧光帶極光
簾幕狀極光
極光冕
按觀測的電磁波波段分為：

光學極光
無線電極光
按激發粒子類型可分為：

電子極光
質子極光
按發生區域可分為：

極光帶極光
極蓋極光
中緯極光紅弧

圖一 神秘的極光。


生活在香港的我們，也許沒有機會看見極光。但對於居住在極北或極南地域的人們，極光是一場神秘的夜空之舞。閃爍的淺綠色光弦形狀在不斷地變化，就像輕柔的窗簾，被微風所牽動，婉延在寧靜而寒冷的夜空中。極光的光度會改變，當它最明亮的時候，多種顏色相繼出現，璀燦悅目。

極光到底是甚麼？
很久以前，人們以為極光只是太陽光被天上微小的冰塊反射而成的，但當科學家分析極光的光譜時，發現它與太陽的光譜並不相似，由此否定了這個說法。另一方面，極光的光譜卻和一些氣體在極高電壓下放電的光譜有不少相似之處。事實上，極光是地球大氣高層的氣體分子或原子受來自太陽的高能電子碰撞後發射的。簡單來說，分子或原子受電子碰撞後，會被激發至較高的能態，甚至被電離。當離子重新俘獲電子，輾轉回到基態的時候，便會被發射某些擁有特定波長的光波。

這個模型解釋了極光的顏色。來自太陽的紫外線把氧分子分解成原子，成為了大氣最高層 (電離層) 的主要成份。當氧原子受電子激發後，便會發出極光那主要的淺綠色光芒。能量較高的電子則可深入大氣層較低的地方，激發那裡的中性氮分子，發出粉紅色或紫紅色的光輝。電離的氮分子則發出紫藍色的光。這些次要的激發豐富了極光的顏色，為這道美麗的卷簾添上了悅目的花邊。

極光與太陽活動有關嗎？
有關。產生極光的高能電子來自太陽。太陽是一個熾熱的火球，在太陽的外層大氣裡，溫度可超越一百萬度。在這稱為日冕的大氣層裡，原子 (主要是氫) 因為高溫電離了，變成了一團充滿了自由離子 (主要是質子) 和電子，既高溫又非常稀薄的氣體。太陽日冕的爆發不斷把這些離子和電子拋射出太空，形成所謂太陽風。這些帶電粒子帶同太陽的磁場，走過了差不多兩天的路程才來到地球。電子遇上了地球的磁場後又會被俘虜，最後被牽引至地球南、北極附近，與大氣高層的粒子碰撞，形成絢麗的極光。因此，極光的出現與太陽的活動息息相關。太陽的活躍週期為十一年，即每隔十一年，太陽的活躍程度便會到達高峰。在這些太陽暴怒的時候，它的表面可能發生一些稱為耀斑的高能爆發，伴隨著爆發的是大量在日冕中的帶電粒子被拋射出太空。這些極高能的粒子可能帶來了比平時大千倍的能量，使極光變得非常燦爛，高度也增加了，甚至在美國也可看到。



圖二 地球磁場的結構。


圖三 太陽風與地球磁場的作用。


圖四 從北極看地球磁頂。注意正負電極和主電流的形成。
太陽風如何與地球磁場作用？
要明白太陽風遇到地球磁場後帶電粒子的運動並不簡單。圖二顯示了地球磁場與太陽風的磁場相互作用，產生了幾個區域。地球磁場被太陽風的磁場塑造成彗星狀的區域，兩者的磁力線在區域的邊沿 (稱為磁頂) 交接。當太陽風經過磁頂時 (圖三)，帶電粒子受磁場的磁力影響，質子會偏移至圖四的右方，而電子則偏移至左方 (你還記得如何從右手法則決定帶電粒子在磁場中的運動方向嗎？) 這些電荷的分離造成了正負兩個電極，產生了從正極流向負極的電流。但這電流並非直接流通兩電極，而是繞過一條很有趣的路徑﹕電流首先受地球磁場的影響，沿著磁力線迴旋至電離層，在電離層形成一個橢圓狀的導電通道，稱為極光帶，最後電流主要從橢圓的另一端離開，流至負極。極光就是在極光帶裡產生的，這個以北極為中心的環狀區域由北緯 伸延至北緯 左右，在南極附近也有一個類似的區域。因此極光只有在極北或極南的地域才可看到，在赤道附近，很難看見。

當極光出現，居住於南北極圈的人會看見夜空有不斷變化的美麗光芒。很多人以為極光的形成與地球以外的太空無關，其實極光的成因與太陽黑子有很大的關係。





在我們介紹極光的成因之前，不如讓我們先對太陽作一點較深入的了解。大家都知道，太陽是一個十分熱的火球。它的表面溫度大約是六千度。每時每刻，太陽表面都會將大量粒子往外太空射出去。這就是天文學家經常提到的太陽風。







圖二：太陽黑子。(轉載自The Photosphere (NASA))

在太陽表面，我們經常可觀察到一些黑色的東西，其實這些就是太陽黑子了。太陽黑子的溫度較太陽表面的平均溫度為低，大約是四至五千度。黑子也是磁場較強的地區，它附近經常會發生猛烈爆炸。這些爆炸會把很多高能帶電粒子從太陽表面發射到外太空去。其中一部份帶電粒子會隨著太陽風來到地球。





圖三：太陽表面的爆炸。(轉載自Post Flare Loops (NASA))

我們知道，帶電粒子的運動是極容易受磁場所影響的。這些從太陽來的帶電粒子當然也不例外，它們會受地球磁場牽引，於南北兩極與地球大氣層的空氣粒子碰撞。大氣層的空氣粒子受碰撞後會發光，極光就這樣形成了。

朋友們，你們也許不知道，原來極光的現象不單出現在地球上。天文學家曾經利用哈勃太空望遠鏡，觀察到於木星和土星上出現的極 光。如果你想對極光有進一步的了解，不妨到這網頁瀏覽(參考網頁： http://www.exploratorium.edu/learning_studio/auroras/)。



圖四：木星上的極光。讀者們有否發覺南北兩極都同時出現極光呢？ (轉載自 Hubble Provides Complete View Of Jupiter's Auroras (NASA))


圖五：土星上的極光。(轉載自 Hubble Provides Clear Images Of Saturn's Aurora (NASA))


極光
　在北極圈內，經常可以看到一種絢麗壯觀的「北極光」（aurora borealis）；在南極圈內所見的類似景象，則稱為「南極光」（aurora australis）。但在人口稠密地帶卻不常見。這是多少世紀以來引起人們猜測和探索的天象之謎，古代的中國人、日本人、希臘人、羅馬人都有文字描述。從前愛斯基摩人以為是鬼神引導死者靈魂上天堂的火炬，許多民族也有他們不同的極光傳說。長期以來，極光的成因一直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，極光是夕日西沉以後，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，到了夜晚釋放出來，便成了極光。總之，眾說紛紜，沒有定論。直到本世紀60年代，將地面觀測結果與衛星、火箭探測到的資料結合起來研究，才逐步形成了極光的物理性描述。


圖3.地球的極光帶（照片上方環狀光帶；下方為陽光照射的白晝部分）
圖5.哈柏太空望遠鏡所拍攝的土星極光帶
圖4.哈柏太空望遠鏡所拍攝的木星極光帶


成因

　現在人們認識到，極光一方面與地球高層大氣和地球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（solar wind）。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、土星和水星周圍也會產生極光，這已被實驗觀察的事實所證明。

　地球磁場分布在地球周圍，受太陽風的吹拂而被包裹著，形成一個棒槌狀的腔體，它的科學名稱叫做磁層（magnetosphere） 。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。

　極光不僅是個光學現象，而且是無線電現象，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訊、長電纜通訊，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。

2006-11-14 16:04:54 補充：
極 光 大 多 在 南 北 兩 極 附 近 出 現 ， 而 很 少 發 生 在 赤 道 地 區 在 南 極 發 生 的 叫 南 極 光 ， 在 北 極 發 生 的 叫 北 極 光 。 我 國 在 北 半 球 ， 所 以 在 我 國 只 能 看 到 北 極 光 。