太陽大爆發了 我該去哪兒看極光？

作者：李會超 （中國科學院國家空間科學中心）

2017年9月5日，NASA為了紀念旅行者號計劃實施40周年，向旅行者1號和2號飛船發出了「你在繁星間帶去友誼，你並不孤單」的問候。

似乎是為了配合這一紀念活動，太陽在其表面釋放了兩朵燦爛的煙花：北京時間9月6日17時10分和19時02分，編號為AR2674的太陽活動區爆發了兩個能量巨大的太陽耀斑。隨之發生的日冕物質拋射在9月7日—9日到達地球。

(SDO飛船拍攝的太陽耀斑大爆發。圖中顯示的時間為UTC時，即北京時間前推8小時。)

耀斑和日冕物質拋射將會給航天、導航、通訊、電力等方面的設施造成影響。

因此，當中美歐多家空間天氣預警機構拉響空間環境的警報後，許多部門的工作人員就要忙碌起來，像地面上抗擊颱風洪水一樣來採取措施了。

（大耀斑爆發瞬間，圖片來自SDO飛船兩個觀測儀器數據的合成）

以上這些，似乎離普通人的生活都很遠。

但耀斑和日冕物質拋射帶來的絢爛的極光，卻是不少朋友嚮往的美景。

（拍攝者：Lauri Kangas 地點：加拿大安大略省FortFrances 時間：9月8日 12:55）

極光什麼時候發生？在什麼地方才能看到極光？為什麼身處我們國家很難有機會看到極光？

要了解這些問題，還要從極光產生的原理說起。

極光是如何產生的

（2013年10月1日，美國俄勒岡州上空的極光）

日冕物質拋射（CME）會將大量的高速帶電粒子拋向地球。

由於我們的地球有著較強的地磁場，在地球上生活的人們不用擔心賴以生存的大氣層，會像火星大氣那樣被太陽風暴剝離。

然而，當CME襲擊地球時，仍然能有一些帶電粒子能夠穿透地球的「鎧甲」，進入地球磁場內部。這是因為CME從太陽附近攜帶而來的磁場像一把「鑰匙」，可以通過與地磁場的磁力線連接，打開地球的「鎧甲」，將物質和能量源源不斷地輸入到地磁場的內部，觸發整個地磁場的劇烈變化。

（太陽風暴吹襲地球過程的示意圖，非實際觀測。）

來自太陽的帶電粒子進入到地球磁場，在經歷一系列加速過程後，到達南極和北極的上空。

在那裡，這些帶電粒子將和大氣中的氧、氮等元素的原子和分子發生碰撞，將能量傳遞給大氣中的分子和原子，把他們激發到更高的能態。當這些高能態的原子和分子回歸低能態時，會以發光的方式釋放能量，就形成了絢爛的極光。

極光為什麼有各種顏色

當原子躍遷跨越的能級不同時，極光的顏色也就會不同。

（拍攝者：Chris Cook 地點：美國馬薩諸塞州Cape Cod 時間：9月7日）

最常見的極光顏色是綠色，這種極光來自於氧原子在557.7納米波長的輻射。 而紅色、藍色的極光在太陽活動非常活躍時也可能出現。至於黃色和粉紅色的極光，則是紅色和綠色混合的結果。

（2014年1月9日，一次CME吹襲地球在挪威上空引發的絢爛極光）

在哪裡能看到極光

既然極光形成於南北極上空，來自CME對地磁場的影響，因此，影響你能否看到極光的因素也就有兩個：

離南北極是否足夠近，CME引發的地磁場活動是否足夠強。

然而，與極光觀測相關的南北極是地球磁場的南北極，它們和由地球自轉軸定義的地理南北極存在偏差。地磁的南極相對於地理的北極向加拿大一帶偏離，而地磁的南極也不與地理的北極重合。

與地理緯度類似，我們用磁緯度來衡量一個地區離南北磁極的遠近。磁緯度的數值一般和地理緯度不同，例如，中國的北京和美國的紐約都處在地理緯度的北緯40度附近，但紐約的磁緯約為50度，而北京的磁緯約為34度，在同樣的地磁活動下，紐約將比北京更容易觀測到極光。

（全球磁緯度等值線，可見他們並不和地理緯度線平行）

像我們用蒲氏風級、里氏震級這些指標來描述狂風和地震強烈程度一樣，地磁活動強弱也有指數衡量。

在這些指數中，與極光聯繫最緊密的是Kp指數。

Kp指數越大，意味著越強的太陽風暴在吹襲地球，產生極光的範圍就會向遠離地磁南北極的方向擴展，也就有越多的地區可以觀測到極光。

（美國空間天氣預報中心繪製的Kp指數與激光擴展範圍的關係圖。圖示區域為北美地區。）

（美國空間天氣預報中心繪製的Kp指數與激光擴展範圍的關係圖。圖示區域為歐亞地區。）

上面兩幅圖中標識了不同Kp指數時極光出現區域的範圍。

由圖中可知，Kp指數為5時，加拿大和北歐諸國上空就會出現極光；當Kp指數等於9時，美國一半的區域都將進入極光出現的範圍，而我國只有東北地區的一小部分進入了該範圍之內。

Kp指數越大，出現的頻率就越低。據統計，Kp指數為5的出現概率為每11年900天，而Kp指數為9的出現頻率，每11年僅有4天。

這意味著，距離磁南北極越遠，看到極光的機會越少。

這裡之所以以11年為一個統計周期，是因為太陽上的黑子數量以11年為周期變化，而日冕物質拋射等太陽活動現象發生的頻率又與黑子數量緊密聯繫。在黑子數較多的年份，Kp指數高的情況也就會更多地出現，也就有更多的機會欣賞到極光。

目前，我們正處在第23個太陽活動周的極小期，太陽本該十分平靜，像本次耀斑爆發這樣劇烈的活動是十分罕見的。

（美國空間天氣預報中心繪製的Kp指數與激光擴展範圍的關係圖及本次極光情況的預測。）

上圖中是美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）對本次耀斑伴隨的CME所引發的地磁和極光活動的預報，最可能觀測到極光的區域為黃線（Kp=7）以北的區域。美國北部的俄亥俄州和印第安納州將有可能獲得觀測極光的機會。

而下一次極光扎堆出現的「高潮」，應該在2023年—2026年之間。

在我國，最有希望觀測到極光的是黑龍江漠河，這裡是我國磁緯最高的地方，也就是Kp指數與極光範圍關係圖中，紅線划過我國領土的位置。

然而，根據當地氣象部門的統計，漠河在1956—2010年間，每年內觀測到的極光的次數最高不超過15次，大部分年份都在5次以下。

把守在這裡觀測極光似乎並不是一件明智的事情。如果想獲得比較好的觀測效果，北歐和加拿大似乎是更好的選擇。

極光觀看指南

雖然我們可以預測極光在哪一年出現得較多，但和天氣預報一樣，極光出現的準確情況只能提前幾天做出。在美國和歐洲的空間天氣預報機構網站上，都有專門的Kp指數預報和極光觀測指南。你可以根據一段時間內的Kp指數情況及預報，和極光區域與Kp指數間的關係，來策劃自己的極光之旅。

以下網站可以供您參考：

美國空間天氣預報中心極光區域預報：

http://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast

美國阿拉斯加大學的極光區域預報：

http://www.gi.alaska.edu/AuroraForecast

一個極光愛好者維護的極光預報：

http://www.aurora-service.org/

（國際空間站上看極光）

（文章首發於科學大院，轉載請聯繫cas@cnic.cn）