極光是怎么形成的
極光一般呈帶狀、幕狀、弧狀、放射狀,這些形狀有時(shí)穩(wěn)定有時(shí)作連續(xù)性變化。不過極光是怎么形成的呢?接下來學(xué)習(xí)啦小編就帶你們?nèi)タ匆幌隆?/p>
極光是怎么形成的?
長期以來,極光的成因機(jī)理未能得到滿意的解釋。在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi),人們一直認(rèn)為極光可能是由以下三種原因形成的。一種看法認(rèn)為極光是地球外面燃起的大火,因?yàn)楸睒O區(qū)臨近地球的邊緣,所以能看到這種大火。另一種看法認(rèn)為,極光是紅日西沉以后,透射反照出來的輝光。還有一種看法認(rèn)為,極地冰雪豐富,它們在白天吸收陽光,貯存起來,到夜晚釋放出來,便成了極光。總之,眾說紛紜,無一定論。直到20世紀(jì)60年代,將地面觀測結(jié)果與衛(wèi)星和火箭探測到的資料結(jié)合起來研究,才逐步形成了極光的物理性描述。
現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到,極光一方面與地球高空大氣和地磁場的大規(guī)模相互作用有關(guān),另一方面又與太陽噴發(fā)出來的高速帶電粒子流有關(guān),這種粒子流通常稱為太陽風(fēng)。由此可見,形成極光必不可少的條件是大氣、磁場和太陽風(fēng),缺一不可。具備這三個(gè)條件的太陽系其他行星,如木星和水星,它們的周圍,也會(huì)產(chǎn)生極光,這已被實(shí)際觀察的事實(shí)所證明。
地磁場分布在地球周圍,被太陽風(fēng)包裹著,形成一個(gè)棒槌狀的膠體,它的科學(xué)名稱叫做磁層。為了更形象化,我們打這樣一個(gè)比方。可以把磁層看成一個(gè)巨大無比的電視機(jī)顯像管,它將進(jìn)入高空大氣的太陽風(fēng)粒子流匯聚成束,聚焦到地磁的極區(qū),極區(qū)大氣就是顯像管的熒光屏,極光則是電視屏幕上移動(dòng)的圖像。但是,這里的電視屏幕卻不是 18英寸或 24英寸,而是直徑為4000公里的極區(qū)高空大氣。通常,地面上的觀眾,在某個(gè)地方只能見到畫面的l/50。在電視顯像管中,電子束擊中電視屏幕,因?yàn)槠辽贤坑邪l(fā)光物質(zhì),會(huì)發(fā)射出光,顯示成圖像。同樣,來自空間的電子束,打入極區(qū)高空大氣層時(shí),會(huì)激發(fā)大氣中的分子和原子,導(dǎo)致發(fā)光,人們便見到了極光的圖像顯示。在電視顯像管中,是一對電極和一個(gè)電磁鐵作用于電子束,產(chǎn)生并形成一種活動(dòng)的圖像。在極光發(fā)生時(shí),極光的顯示和運(yùn)動(dòng)則是由于粒子束受到磁層中電場和磁場變化的調(diào)制造成的。
極光不僅是個(gè)光學(xué)現(xiàn)象,而且是個(gè)無線電現(xiàn)象,可以用雷達(dá)進(jìn)行探測研究,它還會(huì)輻射出某些無線電波。有人還說,極光能發(fā)出各種各樣的聲音。極光不僅是科學(xué)研究的重要課題,它還直接影響到無線電通信,長電纜通信,以及長的管道和電力傳送線等許多實(shí)用工程項(xiàng)目。極光還可以影響到氣候,影響生物學(xué)過程。當(dāng)然,極光也還有許許多多沒有解開的謎。
極光被視為自然界中最漂亮的奇觀之一。如果我們乘著宇宙飛船,越過地球的南北極上空,從遙遠(yuǎn)的太空向地球望去,會(huì)見到圍繞地球磁極存在一個(gè)閃閃發(fā)亮的光環(huán),這個(gè)環(huán)就叫做極光卵。由于它們向太陽的一邊有點(diǎn)被壓扁,而背太陽的一邊卻稍稍被拉伸,因而呈現(xiàn)出卵一樣的形狀。極光卵處在連續(xù)不斷的變化之中,時(shí)明時(shí)暗,時(shí)而向赤道方向伸展,時(shí)而又向極點(diǎn)方向收縮。處在午夜部分的光環(huán)顯得最寬最明亮。
長期觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,極光最經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北磁緯度67度附近的兩個(gè)環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi),分別稱作南極光區(qū)和北極光區(qū)。在極光區(qū)內(nèi)差不多每天都會(huì)發(fā)生極光活動(dòng)。在極光卵所包圍的內(nèi)部區(qū)域,通常叫做極蓋區(qū),在該區(qū)域內(nèi),極光出現(xiàn)的機(jī)會(huì)反而要比緯度較低的極光區(qū)來得少。在中低緯地區(qū),尤其是近赤道區(qū)域,很少出現(xiàn)極光,但并不是說壓根兒觀測不到極光。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(fā)和強(qiáng)烈的地磁暴有關(guān)。
極光的觀測地點(diǎn):
大多數(shù)極光出現(xiàn)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(jī)會(huì)大多了。2004年11月7日晚,較強(qiáng)極光出現(xiàn)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(xiàn)在匹茲堡南方地平線,一小時(shí)后消退。半夜時(shí)又出現(xiàn)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(yán)重的市內(nèi),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筑可能會(huì)妨礙我們看光,所以最佳的極光景象要在鄉(xiāng)間空曠地區(qū)才能觀察得到。在加拿大的丘吉爾城,一年在有300個(gè)夜晚能見到極光;而在羅里達(dá)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(jì)中葉,瑞典一家地球物理觀象臺(tái)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),當(dāng)該臺(tái)觀測到極光的時(shí)候,地面上的羅盤的指針會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的方向變化,變化范圍有1度之多。
與此同時(shí),倫敦的地磁臺(tái)也記錄到類似的這種現(xiàn)象。由此他們認(rèn)為,極光的出現(xiàn)與地磁場的變化有關(guān)。原來,極光是太陽風(fēng)與地球磁場相互作用的結(jié)果。太陽風(fēng)是太陽噴射出的帶電粒子,當(dāng)它吹到地球上空,會(huì)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后所發(fā)出的光的前面色不一樣。例如氧被激后發(fā)出綠光和紅光,氮被激后發(fā)出紫色的光,氬激后發(fā)出藍(lán)色的光,因而極光就顯得絢麗多彩,變幻無窮。
科學(xué)家已經(jīng)了解到,地球磁場并不是對稱的。在太陽風(fēng)的吹動(dòng)下,它已經(jīng)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(gè)地球半徑長。由于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(gè)狹窄的、磁場強(qiáng)度很弱的極尖區(qū)。因?yàn)榈入x子體具"凍結(jié)"磁力線特性,所以,太陽風(fēng)粒子不能穿越地球磁場,而只能通過極尖區(qū)進(jìn)入地球磁尾。當(dāng)太陽活動(dòng)發(fā)生劇烈變化時(shí)(如耀斑爆發(fā)),常引起地球磁層亞暴。于是這些帶電粒子被加速,并沿磁力線運(yùn)動(dòng)。從極區(qū)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,使后者被激發(fā)--退激而發(fā)光。不同的分子,原子發(fā)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(shí)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(qiáng)度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量。用一個(gè)形象比喻,可以說極光活動(dòng)就像磁層活動(dòng)的實(shí)況電視畫面。沉降粒子為電視機(jī)的電子束,地球大氣為電視屏幕。地球磁場為電子束導(dǎo)向磁場??茖W(xué)家從這個(gè)天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動(dòng)的大量信息。極光的形成與太陽活動(dòng)息息相關(guān)。逢到太陽活動(dòng)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(qū),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(xiàn)了極光景象。在地球北半球一般看不到極光的地區(qū),甚至在美國南部的佛羅里達(dá)州和德國的中部及南部廣大地區(qū)也出現(xiàn)了極光。
當(dāng)夜,紅、藍(lán)、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(xiàn)了絢麗的色彩,在許多地區(qū)還造成了恐慌。據(jù)德國波鴻天文觀象臺(tái)臺(tái)長卡明斯基說,當(dāng)夜德國萊茵地區(qū)以北的警察局和天文觀象臺(tái)的電話不斷,有的人甚至懷疑又發(fā)生毒氣泄漏事件。這次極光現(xiàn)象被遠(yuǎn)在160公里高空的觀測太陽的宇宙飛行器ACE發(fā)現(xiàn),并發(fā)出了預(yù)告。在北京時(shí)間4月7日凌晨零時(shí)三十分,宇宙飛行器ACE發(fā)現(xiàn)一股攜帶著強(qiáng)大帶電粒子的太陽風(fēng)從它旁邊掠過,而且該太陽風(fēng)突然加速,速度從每秒375公里提高到每秒600公里,一小時(shí)后,這股太陽風(fēng)到達(dá)地球大氣層外緣,為我們顯示了難得一見的造化神工。
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