![極光[大氣發光現象]](/img/1/4ac/nBnauM3X3ETMyEDM2ADO1czNxQTM5QzN5kDOyQTNwAzMwIzLwgzLwgzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg "極光[大氣發光現象]")
簡介
極光極光的產生原理和極光的分布區域
極光是來自太陽活動區的帶電高能粒子（可達1萬電子伏）流使高層大氣分子或原子激發或電離而產生的。由於地磁場的作用，這些高能粒子轉向極區，所以極光常見於高磁緯地區。 在大約離磁極25°～30°的範圍內常出現極光，這個區域稱為極光區。在地磁緯度45°～60°之間的區域稱為弱極光區，地磁緯度低於45°的區域稱為微極光區。極光下邊界的高度，離地面不到100公里，極大發光處的高度離地面約110公里左右，正常的最高邊界為離地面300公里左右，在極端情況下可達1000公里以上。
根據關於極光分布情況的研究，極光區的形狀不是以地磁極為中心的圓環狀，而是卵形。極光的光譜線範圍約為3100～6700埃，其中最重要的譜線是5577埃的氧原子綠線，稱為極光綠線。早在2000多年前，中國就開始觀測極光，有著豐富的極光記錄。極光多種多樣，五彩繽紛，形狀不一，綺麗無比，在自然界中還沒有哪種現象能與之媲美。任何彩筆都很難繪出那在嚴寒的兩極空氣中嬉戲無常、變幻莫測的炫目之光。極光有時出現時間極短，猶如節日的焰火在空中閃現一下就消失得無影無蹤；有時卻可以在蒼穹之中輝映幾個小時；有紫色的極光等。
紫色的極光
極光分類
形態
勻光弧極光
射線式光柱極光
鳳凰型極光射線式光弧光帶極光
簾幕狀極光
觀測的電磁波波段
光學極光
無線電極光
按激發粒子類型
電子極光
質子極光
發生區域
極蓋極光
極光帶極光
產生
極光（Aurora、AuroraBorealis、Polarlight或Northernlight）出現於星球的高磁緯地區上空，是一種絢麗多彩的發光現象。而地球的極光，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。極光產生的條件有三個：大氣、磁場、高能帶電粒子。這三者缺一不可。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。
早期觀點
極光隨著科技的進步，極光的奧秘也越來越為我們所知——原來，這美麗的景色是太陽與大氣層合作表演出來的作品。在太陽創造的諸如光和熱等形式的能量中，有一種能量被稱為“太陽風”。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子，是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流，因而屬於等離子態。太陽風在地球上空環繞地球流動，以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場。地球磁場形如漏斗，尖端對著地球的南北兩個磁極，因此太陽發出的帶電粒子沿著地磁場這個“漏斗”沉降，進入地球的兩極地區。兩極的高層大氣，受到太陽風的轟擊後會發出光芒，形成極光。在南極地區形成的叫南極光，在北極地區形成的叫北極光。
現代觀點
三色極光許多科學家正在對極光作深入的研究。人們看到的極光，主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且，極光的顏色和強度也取決於沉降粒子的能量和數量。用一個形象比喻，可以說極光活動就像磁層活動的實況電視畫面。沉降粒子為電視機的電子束，地球大氣為電視螢幕，地球磁場為電子束導向磁場。科學家從這個天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動的大量信息。例如，通過極光譜分析可以了解沉降粒子束來源，粒子種類，能量大小，地球磁尾的結構，地球磁場與行星磁場的相互作用，以及太陽擾亂對地球的影響方式與程度等。
極光根據美國國家航空航天局“瑟宓斯衛星任務”（2007/12）（Themismission）傳回的新數據，科學家發現太陽釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球，碰到北極上空磁場時又形成若干扭曲的磁場，帶電粒子的能量在瞬間釋放，以燦爛眩目的北極光形式呈現，而地球的極光主要只有紅、綠二色是因為在熱成層的氮氣和氧原子被電子碰撞，分別發出紅色和綠色光。瑟密斯衛星任務的5個人造衛星群於2007年2月成功發射升空，3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測到北極光出現兩小時，同一時間衛星也偵測到帶電粒子流接觸到北極磁場。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是，帶電粒子和磁場接觸形成的地磁風暴以每分鐘650公里的速度掠過空中，威力相當於芮氏規模5.5級的地震。
科學家早就懷疑，北極光的能源來自帶電粒子與北極磁場接觸產生的扭曲磁場，但這個理論一直到2010年5月才獲得證實。當時瑟密斯任務的衛星群從地球上空6萬多公里首度測到扭曲磁場的結構。
理論
極光圖極光發現的歷史很早，《河圖稽命征》上說：“附寶（黃帝之母）見大電光繞北斗權星，照耀郊野，感而孕二十五月，而生黃帝軒轅於青邱。”這很可能是指極光。部份中國學者認為《山海經·大荒北經》中的燭龍是指極光，古人形容為“人面蛇身，赤色，身長千里，鐘山之神也。”
1619年，伽利略以曙光女神奧羅拉（Aurora）之名創造出auroraborealis一詞。伽利略解釋極光是由反射從地球上上升蒸氣的太陽光。
極光最易出現的時期是春分和秋分兩個節氣來臨之前，且春秋兩季出現頻率更甚夏冬。但2007年美國國家航空航天局“THEMIS”任務的資料顯示，在春分和秋分兩節氣時地球位置與“磁索”交錯最甚，而非因四季交替影響才有此結果。另外，在太陽黑子多的時候，極光出現的頻率也大。
過去的理論
在過去，有些理論被用來解釋這種現象，但現在都已經過時了。
班傑明·富蘭克林（BenjaminFranklin）的理論：神奇的北極光是濃稠的帶電粒子和極區強烈的雪和其他的濕氣作用造成的。
極光的電子來自太陽發射的光束。這是克利斯蒂安柏克蘭在1900年提出的說法，她在實驗室用真空室和磁化的地球模型，顯示電子是如何被引導至極區。這個模型的問題包括本身缺乏在極區的極光、負電荷本身自行散射這些光束、而且在近期內仍然缺乏任何太空中的觀測證據。
破水桶理論：極光是溢流出的輻射帶，這是詹姆斯范艾倫和工作夥伴大約在1962年首先提出的。他們指出在輻射帶內獲得的巨大能量很快就會在極光的漫射中耗盡。不久之後，很明顯的陷在輻射帶內的都是高能的帶正電離子，而在極光內幾乎都是能量較低的電子。
極光是太陽風中的粒子被地球的場線引導至大氣層頂端造成的,這適用於極光的尖點，但在間點之外，太陽風沒有直接的作用。另一方面，太陽風的能量主要都留駐在帶正電的離子，電子只有0.5eV，而在尖點上會上升至50-100eV，這仍然遠低於極光的能量。
現代的理論
極光根據美國國家航空航天局“瑟宓斯衛星任務”（2007/12）（Themismission）傳回的新數據，科學家發現太陽釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球，碰到北極上空磁場時又形成若干扭曲的磁場，帶電粒子的能量在瞬間釋放，以燦爛眩目的北極光形式呈現，而地球的極光主要只有紅、綠二色是因為在熱成層的氮氣和氧原子被電子破撞，分別發出紅色和綠色光。這項研究是由美國加州大學洛杉磯分校的安吉羅波洛斯主持，其研究結果已於2007年12月9日在“美國地球物理聯合會”的學術會議中發表。
瑟密斯衛星任務的5個人造衛星群2007年2月成功發射升空，3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測到北極光出現兩小時，同一時間衛星也偵測到帶電粒子流接觸到北極磁場。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是，帶電粒子和磁場接觸形成的地磁風暴以每分鐘650公里的速度掠過空中，威力相當於芮氏規模5.5的地震。
科學家早就懷疑，北極光的能源來自帶電粒子與北極磁場接觸產生的扭曲磁場，但這個理論一直到2010年5月才獲得證實，當時瑟密斯任務的衛星群從地球上空6萬多公里首度測到扭曲磁場的結構。
極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場線（Fieldline）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。
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，經常出現的地方是在南北緯度67度附近的兩個環帶狀區域內，阿拉斯加的費爾班克斯（Fairbanks）一年之中有超過200天的極光現象，因此被稱為“北極光首都”。
物理過程
極光地球始終側對太陽，但從外太空進入地球的高能帶電粒子並不會直接穿透地球磁層進入大氣，它們只能沿著地球的磁力線做螺鏇運動，這樣大部分粒子就被輸送到兩極，與那裡的大氣分子碰撞，形成極光。在太空中能看到極光的頂部有著暗紅色的輝光，那是進入大氣邊緣的質子流捕獲自由電子變成氫原子時發出的Ha線，波長656.3nm，進入到150公里處，便到了電離層，那裡大氣仍然十分稀薄，大量氧原子被激發到亞穩態，從而產生了禁戒躍遷，從1D能級跳到1S，發出波長為557.7nm的綠光，如果從3P跳到1D，則會發出波長為630和636.4nm的紅色雙線，這就構成了極光最常見的兩種顏色。
因為帶電粒子被束縛在磁力線上，所以極光不會遍布整個極區，而是集中在磁緯67度附近的環形區域中（以北極光為例，北極點附近的地磁南極在西半球，北緯79度，西經71度，所以在加拿大可見極光的緯度要比北歐諸國低了大約20度），這個區域又在強勁太陽風的衝擊下收縮成卵形（auroraloval）。通常在中低緯度地區是看不到極光的，但在太陽活動強烈的時候，地球磁場受到大量高能粒子的擾動，就有可能造成極光的猛烈爆發。
形態
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
色彩
冰島上空絢麗紅色極光光譜線
極光的光譜線範圍約為3100—6700埃，其中最重要的譜線是5577埃的氧原子綠線，稱為極光綠線。
出現區域
由於地磁場的作用，這些高能粒子轉向極區，所以極光常見於高磁緯地區。在大約離磁極25°—30°的範圍內常
極光長期觀測統計結果表明，極光最經常出現的地方是在南北磁緯度67度附近的兩個環帶狀區域內，分別稱作南極光區和北極光區。在極光區內差不多每天都會發生極光活動。在極光卵所包圍的內部區域，通常叫做極蓋區，在該區域內，極光出現的機會反而要比緯度較低的極光區來得少。在中低緯地區，尤其是近赤道區域，很少出現極光，但並不是說完全觀測不到極光。1958年2月10日夜間的一次特大極光，在熱帶都能見到，而且顯示出鮮艷的紅色。這類極光往往與特大的太陽耀斑暴發和強烈的地磁暴有關。
大多數極光出現在地球上空90—130千米處。但有些極光要高得多。1959年，一次北極光所測得的高度是160千米，寬度超過4800千米。
影響
英國“發光”海灘邂逅美麗極光特徵
極光之美
極光極光形體的亮度變化也是很大的，從剛剛能看得見的銀河星雲般的亮度，一直亮到滿月時的月亮亮度。在強極光出現時，地面上物體的輪廓都能被照見，甚至會照出物體的影子來。最為動人的當然是極光運動所造成的瞬息萬變的奇妙景象。我們形容事物變得快時常說：“眼睛一眨，老母雞變鴨。”極光可真是這樣，翻手為雲，覆手為雨，變化莫測，而這一切又往往發生在幾秒鐘或數分鐘之內。極光的運動變化，是自然界這個魔術大師，以天空為舞台上演的一出光的活劇，上下縱橫成百上千公里，甚至還存在近萬公里長的極光帶。這種宏偉壯觀的自然景象，好像沾了一點仙氣似的，頗具神秘色彩。令人嘆為觀止的則是極光的色彩，早已不能用五顏六色去描繪。說到底，其本色不外乎是紅、綠、紫、藍、白、黃，可是大自然這一超級畫家用出神入化的手法，將深淺濃淡、隱顯明暗一搭配、一組合，好傢夥，一下子變成了萬花筒啦。根據不完全的統計，能分辨清楚的極光色調已達一百六十餘種。極光這般多姿多彩，如此變化萬千，又是在這樣遼闊無垠的穹窿中、漆黑寂靜的寒夜裡和荒無人煙的極區，此情此景，此時此刻，面對五彩繽紛的極光圖形，親愛的讀者，你說能不令人心醉，不叫人神往嗎？無怪乎在許許多多的極區探險者和旅行家的筆記中，描寫極光時往往顯得語竭詞窮，只好說些“無法以言語形容”，“再也找不出合適的詞句加以描繪”之類的話作為遁辭。是的，普通的美麗、壯觀、奇妙等字眼在極光面前均顯得異常的蒼白無力，可以說，即使有生花妙筆也難述說極光的神采、氣勢、秉性脾氣於萬一。
神奇聲音
北極光一直以來，有關這種神秘的北極光聲音流傳著許多的傳說，也讓在荒野的人們感到恐懼和敬畏。
北極光發出的這種含混不清的爆裂聲的來源，終於首次在科學上得到了合理的解釋。
芬蘭阿爾托大學的科學家們發現了北極光神秘聲音的來源，這種聲音產生於距地面70米的空中。與此相比，由地球磁場干擾而產生的絢爛而變幻莫測的北極光，則是產生於距離地面120千米的高空。
為了找到聲音的來源，科學家們利用了三個互相獨立的麥克風，在觀測點記錄下了北極光的聲音。接著，科學家們對這些聲音進行對比分析，從而最終確定了北極光聲音的來源。當北極光在觀測點出現的同時，芬蘭氣象研究所也同步測量到了伴隨北極光產生了地磁干擾。
阿爾托大學的萊恩（UntoK.Laine）教授表示，“我們研究發現，在北極光出現期間，人們可以聽見一種伴隨極光自然產生的聲音。過去，我們認為極光離我們太遠，不可能會聽到極光發出的聲音，這種推斷沒有錯，但事實是，極光是由太陽產生的能量粒子干擾地球磁場而產生的，它們在很遠的天邊，伴隨極光的聲音也是由類似原因而產生，只不過產生這種聲音的地方離地面更近。”
有關北極光神秘聲音產生的具體原因仍然是一個迷，這種聲音並不是每次都會伴隨極光而來。從被記錄下來的聲音來看，這種聲音聽起來像是一種含混不清的爆裂聲，並往往只持續一小段時間。另外一些聽到過極光聲音的人把這種聲音描述為一種噼啪聲，並且感覺聲音的距離很遠。通過這些不同的描述，科學家們推測北極光聲音產生的背後可能有著若干不同的原理。
觀測地點
大多數極光出現在地球上空90～130千米處。美國匹茲堡磁緯高，就比在北京看到極光的機會大多了。2004年11月7日晚，較強極光出現在匹茲堡。肉眼能看出綠色，紅色。2003年11月20日傍晚，極光出現在匹茲堡南方地平線，一小時後消退。半夜時又出現在北方低空。2003年10月30日出在匹茲堡的極光，雖然是在光污染嚴重的市內，但仍能看到紅色的光芒。但有些極光要高得多。1959年，一次北極光所測得的高度是160千米，寬度超過4800千米。在地平線上的城市燈光和高層建築可能會妨礙我們看光，所以最佳的極光景象要在鄉間空曠地區才能觀察得到。在加拿大的邱吉爾城，一年在有300個夜晚能見到極光；而在羅里達州，一年平均只能見到4次左右。我國最北端的漠河，也是觀看極光的好地方。18世紀中葉，瑞典一家地球物理觀象台的科學家發現，當該台觀測到極光的時候，地面上的羅盤的指針會出現不規則的方向變化，變化範圍有1度之多。與此同時，倫敦的地磁台也記錄到類似的這種現象。由此他們認為，極光的出現與地磁場的變化有關。原來，極光是太陽風與地球磁場相互作用的結果。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子，當它吹到地球上空，會受到地球磁場的作用。高層大氣是由多種氣體組成的，不同元素的氣體受轟擊後所發出的光的前面色不一樣。例如氧被激後發出綠光和紅光，氮被激後發出紫色的光，氬激後發出藍色的光，因而極光就顯得絢麗多彩，變幻無窮。科學家已經了解到，地球磁場並不是對稱的。在太陽風的吹動下，它已經變成某種"流線型"。就是說朝向太陽一面的磁力線被大大壓縮，相反方向卻拉出一條長長的，形似彗尾的地球磁尾。磁尾的長度至少有1,000個地球半徑長。由於與日地空間行星際磁場的偶合作用，變形的地球磁場的兩極外各形成一個狹窄的、磁場強度很弱的極尖區。因為電漿具"凍結"磁力線特性，所以，太陽風粒子不能穿越地球磁場，而只能通過極尖區進入地球磁尾。當太陽活動發生劇烈變化時(如耀斑爆發)，常引起地球磁層亞暴。於是這些帶電粒子被加速，並沿磁力線運動。從極區向地球注入，這些帶電粒子撞擊高層大氣中的氣體分子和原子，使後者被激發--退激而發光。不同的分子，原子發生不同顏色的光，這些單色光混合在一起，就形成多姿多彩的極光。事實上，人們看到的極光，主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且，極光的顏色和強度也取決於沉降粒子的能量和數量。用一個形象比喻，可以說極光活動就像磁層活動的實況電視畫面。沉降粒子為電視機的電子束，地球大氣為電視螢幕。地球磁場為電子束導向磁場。科學家從這個天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動的大量信息。極光的形成與太陽活動息息相關。逢到太陽活動極大年，可以看到比平常年更為壯觀的極光景象。在許多以往看不到極光的緯度較低的地區，也能有幸看到極光。2000年4月6日晚，在歐洲和美洲大陸的北部，出現了極光景象。在地球北半球一般看不到極光的地區，甚至在美國南部的佛羅里達州和德國的中部及南部廣大地區也出現了極光。當夜，紅、藍、綠相間的光線布滿夜空中，場面極為壯觀。雖然這是一件難得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出現了絢麗的色彩，在許多地區還造成了恐慌。據德國波鴻天文觀象台台長卡明斯基說，當夜德國萊茵地區以北的警察局和天文觀象台的電話不斷，有的人甚至懷疑又發生毒氣泄漏事件。這次極光現象被遠在160公里高空的觀測太陽的宇宙飛行器ACE發現，並發出了預告。在台北時間4月7日凌晨零時三十分，宇宙飛行器ACE發現一股攜帶著強大帶電粒子的太陽風從它旁邊掠過，而且該太陽風突然加速，速度從每秒375公里提高到每秒600公里，一小時後，這股太陽風到達地球大氣層外緣，為我們顯示了難得一見的造化神工。
在其他的行星
行星木星和土星這兩顆行星都有比地球更強的磁場（木星在赤道的磁場強度是4.3高斯，相較之下地球只有0.3高斯），而且兩者也都有強大的輻射帶。哈柏太空望遠鏡也很清楚的看見這兩顆行星的極光。
在巨大氣體行星上的極光看起來與地球的相似，也是由太陽風提供能量，另外，木星的衛星，特別是埃歐，更是木星極光的能量來源。這些電流是沿著場線（場準直電流）涌生出的，肇因於衛星繞著行星公轉的相對運動，引起的發電機機制。有著火山活動和電離層的埃歐，是帶電粒子的強力來源，從1955年開始就在研究由它的電流所發射出來的電波輻射。使用哈柏太空望遠鏡也在埃歐、歐羅巴和甘尼米德上觀測到極光，當木星磁氣圈的等離子撞擊到它們稀薄的大氣層時，就會產生極光。
在金星和火星上也曾觀測到極光。因為金星沒有內在（行星本身）的磁場，金星的極光呈現不同的形狀和強度，看起來是明亮但瀰漫的補丁，有時會分布在整個行星的盤面。金星的極光源自太陽風的粒子撞擊和陷入在夜晚側的大氣層。在2004年8月14日，火星快車號上的儀器SPICAM檢測到火星的極光。這道極光位於erraCimmeria，東經177°，南緯52°，輻射區域大約寬30公哩，高度在8公里左右。經由分析包括火星全球探勘者號過去的地殼磁場異常資料，科學家發現輻射的地區是相對來說是區域性的局部磁場最強的地區。這種相關性顯示，電子是通過火星地殼的磁力線與被激發的大氣層移動。
傳說
中國傳說
傳說一相傳公元前兩千多年的一天，夜來臨了。隨著夕陽西沉，夜已將它黑色的翅膀張開在神州大地上，把遠山、近樹、河流和土丘，以及所有的一切全都掩蓋起來。一個名叫附寶的年輕女子獨自坐在曠野上，她眼眉下的一灣秋水閃耀著火一般的激情，顯然是被這清幽的夜晚深深地吸引住了。夜空像無邊無際的大海，顯得廣闊。安詳而又神秘。天幕上，群星閃閃爍爍，靜靜地俯瞰著黑魆魆的地面，突然，在北斗七星中，飄灑出一縷彩虹般的神奇光帶，如煙似霧，搖曳不定，時動時靜，像行雲流水，最後化成一個碩大無比的光環，縈繞在北斗星的周圍。其時，環的亮度急劇增強，宛如皓月懸掛當空，向大地瀉下一片淡銀色的光華，映亮了整個原野。四下里萬物都清晰分明，形影可見，一切都成為活生生的了。附寶見此情景，心中不禁為之一動。由此便身懷六甲，生下了個兒子。這男孩就是黃帝軒轅氏。以上所述可能是世界上關於極光的最古老神話傳說之一。
傳說二
在我國的古書《山海經》中也有極光的記載。書中談到北方有個神仙，形貌如一條紅色的蛇，在夜空中閃閃發光，它的名字叫燭龍。關於燭龍《大荒北經》有如下一段描述：“西北海之外，赤水之北，有章尾山。有神，人面蛇身而赤，直目正乘，其瞑乃晦，其視乃明。不食不寢不息，風雨是竭。是燭九陰，是謂燭龍。”這裡所指的燭龍，實際上就是極光。
外國傳說
極光這一術語來源於拉丁文伊歐斯一詞。傳說伊歐斯是希臘神話中“黎明”（其實，指的是晨曦和朝霞）的化身，是希臘神泰坦的女兒，是太陽神和月亮女神的妹妹，她又是北風等多種風和黃昏星等多顆星的母親。極光還曾被說成是獵戶星座的妻子。在藝術作品中，伊歐斯被說成是一個年輕的女人，她不是手挽個年輕的小伙子快步如飛地趕路，便是乘著飛馬駕挽的四輪車，從海中騰空而起；有時她還被描繪成這樣一個女神，手持大水罐，伸展雙翅，向世上施捨朝露，如同我國佛教故事中的觀音菩薩，普灑甘露到人間。愛斯基摩人認為極光是鬼神引導死者靈魂上天堂的火炬，原住民則視極光為神靈現身，深信快速移動的極光會發出神靈在空中踏步的聲音，將取走人的靈魂，留下厄運。
