自從人類首次突破地心引力限制、離開地球的大氣層以來，我們就能夠看清我們的星球?qū)嶋H上的樣子：一顆漂浮在深淵空間中藍(lán)色大理石。海洋為我們的世界提供的基礎(chǔ)的色彩——藍(lán)色，其間夾著的還有云層和冰川覆蓋地區(qū)的白色，樹木覆蓋著的陸地的郁郁蔥蔥的綠色，以及那些干燥、干旱的沙漠土地的棕色。但是，當(dāng)我們在夜晚觀察我們的地球的時候，沒有反射的太陽光照亮這些常見的景象，于是，那些來自于城市燈光、電閃雷鳴和受到大氣影響的更加微妙的信號得以顯現(xiàn)。當(dāng)時機(jī)恰好的時候，極光的出現(xiàn)將成為最顯眼、最壯觀的景象。
圖為地球上的極光
極光通常都是綠色的，它產(chǎn)生于大氣層的最上層，距離地球表面由50、100甚至200公里更多。它們?nèi)绮ɡ艘话愕芈湎?，在天空中閃爍著，并在地球兩極的附近形成成百上千英里的圓圈。從繞行地球的軌道，而不是地球表面的角度上來看，極光看起來是一道非常奇怪的、綠色的、燃燒著的火焰，它穿過了大氣層的最外延和太空之間的邊界。
圖片來源：美國宇航局/國際空間站
但是，這里發(fā)生了太多比火災(zāi)還要宏大的故事。那些在大氣層中，由于太陽和其與地球各個磁場、原子和中子之間的相互作用而真實的、正在發(fā)生的事情，促成了極光產(chǎn)生的唯一可能性。實際上，在太陽系的所有世界中，只有地球具有我們認(rèn)識的所有顏色的可見光，然而這也正是因為這三個因素的獨特結(jié)合。
圖為2004年太陽耀斑爆發(fā)，來自巨型太陽黑子649.
在正常的情況下，太陽發(fā)射出一束穩(wěn)定的粒子流，這股粒子流被稱為太陽風(fēng)。從太陽日冕中散發(fā)出的過熱氣體使日冕中的原子發(fā)生電離反應(yīng)，質(zhì)子、電子和較重的原子核等粒子以大約每小時一百萬英里的速度，穿過太陽系，向四面八方射出。但是，當(dāng)發(fā)生了太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射或者其他在太陽上的爆發(fā)的時候，這些粒子在某一個特定的方向上的通量會急劇增加，那些穿過太陽系的粒子的飛行速度也在顯著地升高，最高可達(dá)到光速的0.8%。而這些在太陽上發(fā)生的爆發(fā)，總會有一些隨機(jī)的指向太陽系的一顆行星，其中也包括地球。
圖片為保護(hù)我們免受太陽帶電粒子影響的地球磁場
地球磁場的的磁力發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生一個相對強(qiáng)的磁場，這個磁場不僅可以涵蓋整個地球，而且還能一直延伸到太空。大部分的帶電粒子都受到這一磁場的影響，從而偏離我們的世界，但是地球的兩個磁極——南北兩極——卻是這一磁場最弱的兩個點。由于磁場線只能繞圈，因此他們必須在兩個不同的位置穿過地球。在這種情況下，帶電粒子并非受到磁場影響，發(fā)生偏移離開地球，而是集中到圍繞著這些磁極的圓形區(qū)域中。太陽黑子爆發(fā)得越強(qiáng)，極光到達(dá)兩極的距離就越遠(yuǎn)，從而產(chǎn)生的極光現(xiàn)象就愈加壯觀。
圖為STS-114飛行任務(wù)期間，從發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)看到的南部的燈光——南極光
如果我們沒有目前的大氣層，那么所有的這一切都將毫無意義。大氣層中含有77%的氮氣、21%的氧氣以及大約1%的水蒸氣，這些成分組合起來足以產(chǎn)生出我們可以看到的全部色域。我們大氣中的其他成份要么是惰性氣體（濃度約為1%的氬氣），要么是濃度小到基本不會造成任何顯著的影響的氣體（比如0.04%的二氧化碳或者甲烷）。但是帶電粒子發(fā)生電離反應(yīng)，破壞了原子和分子之間、將這些大氣組成成分鏈接在一起的鍵，并產(chǎn)生了這些不穩(wěn)定的離子和自由的電子。
圖片來源：徳特茨·薩維沙
當(dāng)自由電子最終找到與他們結(jié)合的離子的時候，它們的能量就會下降，從而創(chuàng)造出令人嘆為觀止的色彩多樣性。在所有的這些大氣的組成成份中，是氧氣（是主要成份，在558納米處有很強(qiáng)的發(fā)射線）和氮氣（是大氣中含量第二的成份，以一種較長的波長發(fā)射類似的射線）產(chǎn)生了一種和我們最常與極光聯(lián)系在一起熟悉的、壯觀的綠色，然而通常在更高的海拔，極光有時也有可能呈現(xiàn)出藍(lán)色和紅色，這是因為三種大氣元素和他們之間的組合作用產(chǎn)生的結(jié)果。
來自國際空間站的、細(xì)致的地球觀察者會發(fā)現(xiàn)其他綠色、黃色和紅色，以及一種持續(xù)存在的現(xiàn)象：我們大氣層的輝光。普通的舊的日光足以在我們的大氣層的各個層上產(chǎn)生少量的電離反應(yīng)，并且當(dāng)氧氣（綠色）、鈉（黃色）、氫（紅色、更上面的大氣層）在夜間和電子重新組合，從而導(dǎo)致這些不同顏色的穩(wěn)定地釋放。除此以外，藍(lán)色的雷擊和城市的燈光使得國際空間站的觀測視野是如此的獨一無二。
圖片來源：美國宇航局/國際空間站
但是這三個因素的結(jié)合——太陽的爆發(fā)、地球磁場和我們的大氣組成成分——導(dǎo)致了這極其壯觀的極光秀，而極光則使上下兩側(cè)的空中觀察者如此心神愉悅。只有在地球上，這種不可思議的組合才會發(fā)生，而且我們所知道的其他的世界都沒有像地球這樣的。這也是歷史上第一次，我們可以以最高的分辨率觀看這場極光秀。
圖為：2016年3月14日，北極圈的北極光
極光，是一種等離子體現(xiàn)象，主要發(fā)生在具有磁場的行星上的高緯度區(qū)域，而在地球上的極光帶即是經(jīng)度上距離地磁極10°至20°，緯度寬約3°至6°的區(qū)域。當(dāng)磁暴發(fā)生時，在較低的緯度也會出現(xiàn)極光。
現(xiàn)代物理學(xué)對其產(chǎn)生原理有詳細(xì)描述，地球上的極光是由于來自磁層和太陽風(fēng)的帶電高能粒子被地磁場導(dǎo)引帶進(jìn)地球大氣層，并與高層大氣（熱層）中的原子碰撞造成的發(fā)光現(xiàn)象。極光不只在地球上出現(xiàn)，太陽系內(nèi)的其他一些具有磁場的行星上也有極光。
1.WJ百科全書
2.天文學(xué)名詞
3. Ethan Siegel- milketeaa
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