极光是什么

FaFaFaFa in 生活 2021-08-30 21:38:31

极光,是一种等离子体现象,主要发生在具有磁场的行星上的高纬度区域,而在地球上的极光带即是经度上距离地磁极10°至20°,纬度宽约3°至6°的区域。当磁暴发生时,在较低的纬度也会出现极光。

极光,是一种等离子体现象,主要发生在具有磁场的行星上的高纬度区域,而在地球上的极光带即是经度上距离地磁极 10°至 20°,纬度宽约 3°至 6°的区域。当磁暴发生时,在较低的纬度也会出现极光。

What is the aurora

现代物理学对其产生原理有详细描述,地球上的极光是由于来自磁层和太阳风的带电高能粒子被地磁场导引带进地球大气层,并与高层大气(热层)中的原子碰撞造成的发光现象。极光不只在地球上出现,太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。

原理和机制

极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气(>80km)时,与大气中的原子和分子碰撞并激发,能量释放产生的光芒形成围绕着磁极的大圆圈,即极光。

极光最易出现的时期是春分和秋分两个节气来临之前,且春秋两季出现频率更甚夏冬。这是因为在春分和秋分两节气时地球位置与“磁索”交错最甚。另外,在太阳黑子多的时候或当太阳周期在日冕大量抛射增加和太阳风强度增强的阶段时,极光出现的频率和亮度也会增加。

观测区域

在北半球观察到的极光称北极光,南半球观察到的极光称南极光,经常出现的地方是在南北纬度 67 度附近的两个环带状区域内,阿拉斯加的费尔班克斯一年之中有超过 200 天的极光现象,因此被称为“北极光首都”。而冰岛由于整个国家都在极光带上,也是北半球受欢迎的观测极光地点。南极光与北极光是同时变化的(可视为北极光的镜像)。在高纬度的南美洲、澳大利亚、新西兰和南极洲可以看见南极光。

形态和颜色

通常极光出现时,是呈现弥漫性的发光或”窗帘”,大致向东西方向扩展。有些时候,它们形成”静态弧”,其它的”活跃极光”则会不停的变化,不断的改变形态。每一个帘幕由许多平行的光线组成,每一条光线都内衬著当地的磁场线,暗示极光的形状受到地球磁场的约制。事实上,卫星显示电子循着磁场线,朝向地球方向螺旋著移动。

与窗帘相似,但皱折更为强烈的被称为”条状(striations)”;当磁场线导引明亮的极光在观赏著的上方绽放,则可能呈现”冕状”或发散的辐射状,这是透视造成的效果。

地球的极光主要有红、绿二色是因为在热成层的氮和氧原子被电子激发,分别发出红色和绿色光。

氧的辐射:绿色或褐红色,具体取决于所吸收的能量。
氮的辐射:蓝色或紫色;如果收回一颗被电离的电子会辐射出蓝色;从激发态回到基态是红色。
氧回到基态是不寻常的:它可以在 0.75 秒辐射出绿光,但要长达两分钟的时间才能辐射出红光。与其它原子或分子的碰撞会吸收激发的能量,并阻止辐射。因为在大气层的最顶端,氧含量有较高的百分比,但碰撞是稀稀落落的,所以氧有足够的时间辐射出红光。下降到较低层,碰撞的频率变得频繁起来,就没有足够的时间释放出红光,最终,连绿光都因为碰撞过于频繁也被阻止了

这就是为何在不同的高度会辐射出不同的颜色;在最高处,由氧的红光主导,然后是氧的绿光和氮的蓝光与红光,最后只有氮的蓝光与红光,而碰撞阻止了氧辐射出任何的光线。绿色是极光中最常见的颜色,在它的后方(上方)是粉红色,混合著浅绿色和红色,紧接着是纯红色、黄色(红色和绿色的混合),最后是纯蓝色。

红色:出现在最高处,是激发的氧原子辐射出 630 纳米的电磁波,原子的低浓度和眼睛对此波长的低灵敏度,使这种颜色只有在太阳活动强烈的情况下才能被看见。低的氧原子数量和逐渐降低的浓度使它们非常微弱,通常只能在帘幕状极光的顶端部分看见。
绿色:在较低的高度,较频繁的碰撞支撑了氧在 557.7 纳米的辐射;相当高的氧原子浓度和眼睛对绿色的光较敏感,使绿色的极光最为常见。激发的氮分子(由于 N2 的高度稳定,氮原子非常罕见)在这儿发挥了作用,在碰撞中可以将能量转移给氧原子,然后氧会释放出绿光(红光和绿光的混合可以产生黄色光或粉红色的光)。氧原子的浓度在 100 公里的高度迅速的降低,使得极光帘幕的底部在这个高度上突然的结束。
黄色和粉红色是红色和绿色混合的结果。
蓝色:在低海拔处,氧原子的数量越来越少,电离的氮分子取而代之成为发出可见光的主体。它发出的是波长是大量分布在红色和蓝色,并以 428 毫微米(蓝色)为主要的谱线。蓝色和紫色的发射通常出现在帘幕的底端,显示太阳的活动非常活跃。

极光的分类

极光依性质可分为扩散极光和分立极光两种类型。即使在黑暗的天空中,肉眼可能还是看不见扩散极光散发出弥漫在天空中的微光和形状,但它定义出了极光带的范围。分立极光是在几乎看不见的扩散极光中能够明确看出形状的部分,肉眼很容易就能看见它们,最亮时的亮度足以在夜晚阅读书报。但分立极光还是只能在夜空中被看见,因为它的亮度还不足以在阳光下呈现。极光在极光带中出现时通常是弥漫性的光斑或弧形,且通常是在裸眼可见的程度之下。分立极光通常会显示出磁场线或像帘幕状的结构,最常见的是绿色的萤光,并且可以在数秒钟内发生变化,或是几个小时光度都不变。

其他分类:
极光按形态可分为匀光弧极光、射线式光柱极光、射线式光弧光带极光、帘幕状极光和极光冕。
按观测的电磁波波段分为光学极光和无线电极光。
按激发粒子类型可分为电子极光和质子极光。
按发生区域可分为极光带极光、极盖极光和中纬极光红弧。
现代潮流引导与推荐比照气象学来区分极光的现象,但尚未被完全认同。

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