有趣問題–神秘的極光
文﹕湯兆昇   

圖一  神秘的極光。

生活在香港的我們,也許沒有機會看見極光。但對於居住在極北或極南地域的人們,極光是一場神秘的夜空之舞。閃爍的淺綠色光弦形狀在不斷地變化,就像輕柔的窗簾,被微風所牽動,婉延在寧靜而寒冷的夜空中。極光的光度會改變,當它最明亮的時候,多種顏色相繼出現,璀燦悅目。

極光到底是甚麼?

很久以前,人們以為極光只是太陽光被天上微小的冰塊反射而成的,但當科學家分析極光的光譜時,發現它與太陽的光譜並不相似,由此否定了這個說法。另一方面,極光的光譜卻和一些氣體在極高電壓下放電的光譜有不少相似之處。事實上,極光是地球大氣高層的氣體分子或原子受來自太陽的高能電子碰撞後發射的。簡單來說,分子或原子受電子碰撞後,會被激發至較高的能態,甚至被電離。當離子重新俘獲電子,輾轉回到基態的時候,便會被發射某些擁有特定波長的光波。

這個模型解釋了極光的顏色。來自太陽的紫外線把氧分子分解成原子,成為了大氣最高層 (電離層) 的主要成份。當氧原子受電子激發後,便會發出極光那主要的淺綠色光芒。能量較高的電子則可深入大氣層較低的地方,激發那裡的中性氮分子,發出粉紅色或紫紅色的光輝。電離的氮分子則發出紫藍色的光。這些次要的激發豐富了極光的顏色,為這道美麗的卷簾添上了悅目的花邊。

極光與太陽活動有關嗎?

有關。產生極光的高能電子來自太陽。太陽是一個熾熱的火球,在太陽的外層大氣裡,溫度可超越一百萬度。在這稱為日冕的大氣層裡,原子 (主要是氫) 因為高溫電離了,變成了一團充滿了自由離子 (主要是質子) 和電子,既高溫又非常稀薄的氣體。太陽日冕的爆發不斷把這些離子和電子拋射出太空,形成所謂太陽風。這些帶電粒子帶同太陽的磁場,走過了差不多兩天的路程才來到地球。電子遇上了地球的磁場後又會被俘虜,最後被牽引至地球南、北極附近,與大氣高層的粒子碰撞,形成絢麗的極光。因此,極光的出現與太陽的活動息息相關。太陽的活躍週期為十一年,即每隔十一年,太陽的活躍程度便會到達高峰。在這些太陽暴怒的時候,它的表面可能發生一些稱為耀斑的高能爆發,伴隨著爆發的是大量在日冕中的帶電粒子被拋射出太空。這些極高能的粒子可能帶來了比平時大千倍的能量,使極光變得非常燦爛,高度也增加了,甚至在美國也可看到。

地球磁場的結構
圖二  地球磁場的結構。
太陽風與地球磁場的作用
圖三  太陽風與地球磁場的作用。
 
從北極看地球磁頂
圖四  從北極看地球磁頂。注意正負電極和主電流的形成。

太陽風如何與地球磁場作用?

要明白太陽風遇到地球磁場後帶電粒子的運動並不簡單。圖二顯示了地球磁場與太陽風的磁場相互作用,產生了幾個區域。地球磁場被太陽風的磁場塑造成彗星狀的區域,兩者的磁力線在區域的邊沿 (稱為磁頂) 交接。當太陽風經過磁頂時 (圖三),帶電粒子受磁場的磁力影響,質子會偏移至圖四的右方,而電子則偏移至左方 (你還記得如何從右手法則決定帶電粒子在磁場中的運動方向嗎?) 這些電荷的分離造成了正負兩個電極,產生了從正極流向負極的電流。但這電流並非直接流通兩電極,而是繞過一條很有趣的路徑﹕電流首先受地球磁場的影響,沿著磁力線迴旋至電離層,在電離層形成一個橢圓狀的導電通道,稱為極光帶,最後電流主要從橢圓的另一端離開,流至負極。極光就是在極光帶裡產生的,這個以北極為中心的環狀區域由北緯 伸延至北緯 左右,在南極附近也有一個類似的區域。因此極光只有在極北或極南的地域才可看到,在赤道附近,很難看見。