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  • 美国宇航局从漂亮的太空中,发现了有史以来最美的极光

    自从人类首次突破地心引力限制、离开地球的大气层以来,我们就能够看清我们的星球实际上的样子:一颗漂浮在深渊空间中蓝色大理石。海洋为我们的世界提供的基础的色彩——蓝色,其间夹着的还有云层和冰川覆盖地区的白色,树木覆盖着的陆地的郁郁葱葱的绿色,以及那些干燥、干旱的沙漠土地的棕色。但是,当我们在夜晚观察我们的地球的时候,没有反射的太阳光照亮这些常见的景象,于是,那些来自于城市灯光、电闪雷鸣和受到大气影响的更加微妙的信号得以显现。当时机恰好的时候,极光的出现将成为最显眼、最壮观的景象。

    美国宇航局从漂亮的太空中,发现了有史以来最美的极光

    图为地球上的极光

    极光通常都是绿色的,它产生于大气层的最上层,距离地球表面由50、100甚至200公里更多。它们如波浪一般地落下,在天空中闪烁着,并在地球两极的附近形成成百上千英里的圆圈。从绕行地球的轨道,而不是地球表面的角度上来看,极光看起来是一道非常奇怪的、绿色的、燃烧着的火焰,它穿过了大气层的最外延和太空之间的边界。

    美国宇航局从漂亮的太空中,发现了有史以来最美的极光

    图片来源:美国宇航局/国际空间站

    但是,这里发生了太多比火灾还要宏大的故事。那些在大气层中,由于太阳和其与地球各个磁场、原子和中子之间的相互作用而真实的、正在发生的事情,促成了极光产生的唯一可能性。实际上,在太阳系的所有世界中,只有地球具有我们认识的所有颜色的可见光,然而这也正是因为这三个因素的独特结合。

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    图为2004年太阳耀斑爆发,来自巨型太阳黑子649.

    1.太阳爆发

    在正常的情况下,太阳发射出一束稳定的粒子流,这股粒子流被称为太阳风。从太阳日冕中散发出的过热气体使日冕中的原子发生电离反应,质子、电子和较重的原子核等粒子以大约每小时一百万英里的速度,穿过太阳系,向四面八方射出。但是,当发生了太阳耀斑、日冕物质抛射或者其他在太阳上的爆发的时候,这些粒子在某一个特定的方向上的通量会急剧增加,那些穿过太阳系的粒子的飞行速度也在显著地升高,最高可达到光速的0.8%。而这些在太阳上发生的爆发,总会有一些随机的指向太阳系的一颗行星,其中也包括地球。

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    图片为保护我们免受太阳带电粒子影响的地球磁场

    2.地球磁场

    地球磁场的的磁力发电机会产生一个相对强的磁场,这个磁场不仅可以涵盖整个地球,而且还能一直延伸到太空。大部分的带电粒子都受到这一磁场的影响,从而偏离我们的世界,但是地球的两个磁极——南北两极——却是这一磁场最弱的两个点。由于磁场线只能绕圈,因此他们必须在两个不同的位置穿过地球。在这种情况下,带电粒子并非受到磁场影响,发生偏移离开地球,而是集中到围绕着这些磁极的圆形区域中。太阳黑子爆发得越强,极光到达两极的距离就越远,从而产生的极光现象就愈加壮观。

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    图为STS-114飞行任务期间,从发现号航天飞机看到的南部的灯光——南极光

    3.地球的大气层

    如果我们没有目前的大气层,那么所有的这一切都将毫无意义。大气层中含有77%的氮气、21%的氧气以及大约1%的水蒸气,这些成分组合起来足以产生出我们可以看到的全部色域。我们大气中的其他成份要么是惰性气体(浓度约为1%的氩气),要么是浓度小到基本不会造成任何显著的影响的气体(比如0.04%的二氧化碳或者甲烷)。但是带电粒子发生电离反应,破坏了原子和分子之间、将这些大气组成成分链接在一起的键,并产生了这些不稳定的离子和自由的电子。

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    图片来源:徳特茨·萨维沙

    当自由电子最终找到与他们结合的离子的时候,它们的能量就会下降,从而创造出令人叹为观止的色彩多样性。在所有的这些大气的组成成份中,是氧气(是主要成份,在558纳米处有很强的发射线)和氮气(是大气中含量第二的成份,以一种较长的波长发射类似的射线)产生了一种和我们最常与极光联系在一起熟悉的、壮观的绿色,然而通常在更高的海拔,极光有时也有可能呈现出蓝色和红色,这是因为三种大气元素和他们之间的组合作用产生的结果。

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    来自国际空间站的、细致的地球观察者会发现其他绿色、黄色和红色,以及一种持续存在的现象:我们大气层的辉光。普通的旧的日光足以在我们的大气层的各个层上产生少量的电离反应,并且当氧气(绿色)、钠(黄色)、氢(红色、更上面的大气层)在夜间和电子重新组合,从而导致这些不同颜色的稳定地释放。除此以外,蓝色的雷击和城市的灯光使得国际空间站的观测视野是如此的独一无二。

    美国宇航局从漂亮的太空中,发现了有史以来最美的极光

    图片来源:美国宇航局/国际空间站

    但是这三个因素的结合——太阳的爆发、地球磁场和我们的大气组成成分——导致了这极其壮观的极光秀,而极光则使上下两侧的空中观察者如此心神愉悦。只有在地球上,这种不可思议的组合才会发生,而且我们所知道的其他的世界都没有像地球这样的。这也是历史上第一次,我们可以以最高的分辨率观看这场极光秀。

    美国宇航局从漂亮的太空中,发现了有史以来最美的极光

    图为:2016年3月14日,北极圈的北极光

    相关知识

    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。

    美国宇航局从漂亮的太空中,发现了有史以来最美的极光

    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。

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. Ethan Siegel- milketeaa

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