重慶的夏夜，你在小區(qū)納涼刷手機，而此刻，南極的冬夜正籠罩著長城站的科考隊員。他們或許裹緊毛毯，正等待一場太陽風與地球磁場碰撞的奇跡——極光。絢爛的綠、偶爾掠過的紫，在南極洲的天幕上舞動，化作這片冰雪大陸最極致的浪漫。

01 極光誕生記

極光的形成，源于太陽活動、地球磁場與地球高層大氣之間的相互作用。

圖源：Pixabay

太陽持續(xù)噴射出許多帶電粒子，這些粒子組成了粒子流，以極高的速度在太空中傳播，這便是太陽風。地球擁有一個無形的磁場，名為地磁。磁場會改變移動電荷的軌跡，因此地磁能使太陽風中的帶電粒子在接近地球時發(fā)生偏轉(zhuǎn)。它就如同一個巨大的盾牌，為地球表面抵御了大部分太陽風的直接侵襲。

然而，這個盾牌并非完全無懈可擊，它也有薄弱之處——在地球的南北極附近，磁場線會向下彎曲，形成了類似漏斗的空間結(jié)構(gòu)。這一漏斗狀區(qū)域成了太陽風帶電粒子的突破口，它們抓住這一薄弱環(huán)節(jié)趁虛而入，高速沖向地球兩極附近的高層大氣。

地球的高層大氣雖然稀薄，但仍然有許許多多的氧原子和氮原子。當高速帶電粒子流與氧原子、氮原子發(fā)生猛烈碰撞時，會將能量傳遞給這些原子，使其處于一種“激發(fā)”狀態(tài)。被激發(fā)的原子變得不穩(wěn)定，它們無法消化如此多的能量，于是會很快把多余的能量給釋放出來。這些被釋放的能量會以光的形式向周圍輻射，形成點點光芒。

當大量的帶電粒子對南北兩極的高層大氣進行“狂轟濫炸”時，會同時發(fā)生無數(shù)次這樣的碰撞。于是，無數(shù)微小的光芒匯聚在一起，便形成了我們在天空中看到的絢麗多彩、不斷舞動的極光。

極光的顏色取決于被撞擊的原子種類，以及碰撞發(fā)生的高度。通常，氧原子在較高的高度被激發(fā)時，會發(fā)出紅光，而在較低的高度則發(fā)出綠光。氮原子被激發(fā)時，則可能發(fā)出藍色、紫色、粉紅色的光。

02 極光觀測指南

極光主要分布在地球南北兩極附近，那里有一個被稱為“極光橢圓帶”的區(qū)域，這兩個環(huán)狀區(qū)域分別圍繞著地球的兩個磁極，它們是觀賞極光的最佳位置。

圖源：Pixabay

在北半球，極光橢圓帶主要橫跨了北美洲的北部（包括美國的阿拉斯加州以及加拿大的育空地區(qū)、西北地區(qū)等地），歐洲的冰島、挪威、瑞典和芬蘭等國家，以及俄羅斯的西伯利亞。在南半球，南極大陸是觀測極光的最佳地點，但它實在是難以到達，澳大利亞的塔斯馬尼亞島南部以及新西蘭的南島等部分地區(qū)有時也能觀測到南極光。

觀測極光的最佳時間是在夜晚，而且需要處于盡可能黑暗的環(huán)境，遠離城市燈光以及滿月之時。通常來說，當?shù)貢r間的晚上10點到凌晨3點之間，特別是午夜前后，是極光出現(xiàn)概率最高的時間段，因為此時觀測地點所處的地球區(qū)域，通常容易遭遇到比較集中的太陽風粒子流。

一年之中，每個半球的冬季是觀測極光的理想季節(jié)，因為冬季的夜晚漫長而黑暗，在高緯度地區(qū)甚至有極夜現(xiàn)象。具體來說，北半球的極光觀測旺季通常是每年的十二月到三月，而南半球則是每年的六月到十月。

此外，有趣的是，科學家發(fā)現(xiàn)極光活動在春分和秋分前后往往會更加活躍，這可能與地球磁場此時恰巧處于有利于極光生成的傾斜角度有關(guān)。因此，春分和秋分也可能是觀測極光的好時機，而且此時的戶外可能比嚴冬時分要稍微溫暖一些。

03 低緯度也可能有極光

極光主要集中在兩極附近的高緯度地區(qū)，這是由地球磁場的結(jié)構(gòu)特性決定的。然而，當太陽風暴發(fā)生時，太陽活動異常劇烈，它噴灑出的帶電粒子尤其多，就有可能會突破常規(guī)的地球磁場屏障，從而導(dǎo)致極光現(xiàn)象出現(xiàn)在低緯度區(qū)域。

例如在2024年5月就出現(xiàn)過一次全球范圍內(nèi)的極光大爆發(fā)事件，我國新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等多地，美國南部，法國南部，阿根廷中部等中緯度區(qū)域的天空中都出現(xiàn)了清晰可見的極光。

但這是一種極其罕見的現(xiàn)象，需要非常強烈的太陽活動才能發(fā)生。通常情況下，在低緯度地區(qū)（尤其是赤道地區(qū)）上空，地磁的保護作用是很強的，帶電粒子很難突破障礙沖進大氣層并引起極光現(xiàn)象。

04 極光不是地球的專屬

地球并非是唯一擁有極光的星球，其他行星也有可能存在極光現(xiàn)象。

形成極光現(xiàn)象，只要滿足以下三個基本要素：宇宙中的帶電粒子源、包圍星球的磁場、含有能夠發(fā)光氣體的大氣層。我們以太陽系為例，太陽系中的兩顆氣態(tài)巨行星——木星和土星——是太陽系中除地球外，極光活動最為顯著的行星。

木星擁有一個比地球強大得多的巨大磁場，外加一個濃厚的大氣層。另外，在木星周圍的宇宙空間里，不僅有來自太陽風的帶電粒子，還有許多從木衛(wèi)一上的火山中噴出的粒子。在這些條件的影響下，木星的極光非常壯觀，而且?guī)缀醭掷m(xù)環(huán)繞在木星的兩極周圍。當然，由于粒子和大氣層成分不同，除了可見光外，木星的極光還包含了大量的不可見光，比如紫外線和X射線等。

土星也擁有強大的磁場和大氣層，在帶電粒子的沖擊下，它的兩極附近也有紫外線組成的極光，通常在紫外線望遠鏡里才可見到，像幽靈般的王冠，環(huán)繞在其兩極周圍。

在更遠的地方，兩顆冰巨星——天王星和海王星——也是有極光的。雖然它們距離太陽更遠，到達此處的太陽粒子相對少，但因為它們擁有巨大的磁場和大氣層，因此也存在一些微弱的極光。和土星一樣，科學家主要通過紫外線望遠鏡觀測到這些極光。

對于類地行星中的火星、金星和水星來說，情況有所不同。火星擁有稀薄的大氣層，并且早已失去了全球性的磁場，但其地殼中仍然存在一些局部磁場，它們可能會使一些帶電粒子偏轉(zhuǎn)后，集中在某些地方，與大氣層發(fā)生作用。因此，火星偶爾會產(chǎn)生不規(guī)則的、局部的極光。

金星擁有濃厚的大氣層，但幾乎沒有磁場。因此，太陽風的帶電粒子會直接撞擊其整個大氣層，產(chǎn)生一種更彌散的、不規(guī)則的光芒。

水星沒有傳統(tǒng)意義上的大氣層，因此目前未觀測到典型極光現(xiàn)象。

總而言之，除了地球之外，許多太陽系行星都存在極光現(xiàn)象，雖然基本原理相似，但由于磁場強度、大氣成分以及其他因素的影響，它們在外觀和特性上可能與地球的極光有很大不同，比如，許多行星的極光是紫外線，人類無法用肉眼看到。

供稿單位：重慶科技館
作者：葉山，威斯康辛大學麥迪遜分校地球科學博士
審核專家：李春藜
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來源: 重慶市科學技術(shù)協(xié)會

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