極光到底怎麼產生的？科學家找到了答案

極光出現在地球高磁緯地區，是一種罕見的自然景觀。極光不止出現在地球，在太陽系其它具有磁場的行星上，也會發生這種現象。那極光是如何形成的呢？

在地球南、北兩極附近的高空，夜間常會出現一種奇異的光。其色彩斑斕：有紫紅色，有玫瑰紅，有橙紅色，也有白色和藍色。

其形狀也是千差萬別：有的像空中飄舞的彩帶，有的像一團跳動的火焰，有的像帷幕，有的像柔絲，有的像巨傘。這種大自然的「火樹銀花不夜天」的景象就是極光。

1957 年 3 月 2 日夜晚，人們在黑龍江省呼瑪縣的上空觀察到了這種離奇的光變。7 點多鐘，西北方的天空中出現了幾個稀有的彩色光點，接著，光點放射出不斷變化的橙黃色的強烈光線。

不久，光線漸漸模糊而形成幕狀。爾後，彩色逐漸變弱，到 8 點 30 分消失。但 10 點零 3 分，這一情景又再次出現。

令人驚奇的是，在同一天晚上 7 點零 7 分，新疆北部阿爾泰山背後的天空也出現了鮮艷的紅光，像山林起火一般。

紅色的天空里射出很多片狀，垂直於地面形成白而略帶黃色的光帶。漸漸地，這光帶變成了銀白色。這些光帶呈輻射狀，逐漸向天頂推進。各光帶之間呈淡紅色，並不斷忽明忽暗。

光帶的長短也不斷變化。7 點 40 分左右，光帶伸展到天頂附近，這時的光色最為鮮明，好似一束白綢帶，飄揚在淡紅色的天空中。大約 10 點，景色完全消失。關於極光的成因有種種推測。

早期觀點

1、本傑明·佛蘭克林的理論：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。

2、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、而且仍然缺乏任何太空中的觀測證據。

3、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，很明顯地，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。

4、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，但在尖點之外，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。

現代觀點

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。

根據美國國家航空航天局「瑟宓斯衛星任務」（Themis mission）傳回的數據，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撞破，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（Field line）集中到南北兩極。

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」。

地球磁層磁力線攜帶太陽風的能量進入地球內部，進而驅動了地磁場的形成。在這磁層磁力線閉合環路上除了有地球內部的導電體之外，另外還有大氣層的電離層這一弱導電體。

當太陽風強烈時，磁力線能量遇到地球內部的磁感抗，有許多能量消耗不掉，於是就在電離層處形成了極光。

最近，因為新衛星技術， 日本科學家第一次直接觀測到帶電粒子沉澱進入地球大氣的合成波散射電子。沉澱的電子通量足夠強烈，可產生脈動極光。

這是人類探究極光產生現象的里程碑事件！未來，由於新技術的發展，科學家會繼續探究極光產生的具體原因。