12月1日，黑龙江佳木斯出现的极光。

季海生 滕伟霖

近日，令人震撼的“北京极光”刷新了公众认知：平时要在高纬度地区方得一见的极光，竟频繁光顾地处北纬40°的新疆、北京等地。而早在今年二三月份，极光就在地球中低纬度地区现身了。

为何今年极光如此活跃且频频“南下”？这与太阳风引起的地磁暴密切相关。由于近年太阳活动正走向第25个周期的极大期，未来一两年，极光还可能多次现身中低纬度地区。

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太阳风暴为地球带来的不仅仅是极光这种视觉盛宴，也会给无线通讯、人造卫星、空间站航天员安全带来威胁。在欣赏美丽极光的同时，人类更要密切关注太阳活动，做好空间天气预测与预警，及时予以应对。

2012年，美国“旅行者一号”探测器穿越了太阳风和星际介质交界的位置，人类由此第一次确定日球的边界位于距离太阳核心约140个天文单位（太阳和地球之间的距离为1个天文单位）地方。

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日冕物质抛射

冲向地球的太阳“喷嚏”

……地球磁层这个“小气泡”略有缺陷，即在两极呈漏斗状。而且，在朝向太阳的一面，地球磁场经常会与来自太阳的磁场发生磁场重联——通俗来讲，这个过程就好像将地球磁层“撕”开一个口子，太阳风粒子以及在此过程中被加速的高能粒子，会从这个口子进入并沿着漏斗状的地球磁层极尖区下降，与大气碰撞，形成日侧（白昼一侧的）极光。

地球磁层的磁力线被“撕”开后，随着太阳风的吹拂来到夜晚一侧，形成一条长长的磁场“尾巴”，这就是地球磁尾。在磁尾中，相反方向的磁力线进一步重联，从而让更多高能粒子沿着磁力线沉降，进入地球大气，形成夜侧（夜晚一侧的）极光。

……物质能够携带磁场撞向地球的情况有两种：一是太阳活动期间产生的日冕物质抛射，二是来自太阳冕洞的高速太阳风。在冕洞之中，磁力线呈开放状态，太阳风沿着开放磁力线传播，以两倍于太阳风平均速度的速度释放带电粒子。当这些快速流动的太阳风追上速度较慢的太阳风，就会相互挤压，增强它们之间的磁场。当这种挤压区域扫过地球，就可能产生地磁暴。

……日冕物质抛射是指等离子体携带着磁场从太阳日冕中释放到行星际空间的过程，就好像太阳打了个喷嚏，使用日冕仪可以观测到这一过程。如果日冕物质抛射朝向地球，这些等离子体和磁场将严重扰动地球磁层及高层大气，引发地磁暴，进而阻断通讯，降低导航精度，损坏人造卫星和地面电力系统。

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多彩极光

高能电子踏出霓虹“足印”

“极光”一词源于罗马神话中的织架女神“欧若拉”，代表旭日东升前的黎明。中文名称“极光”表示这一现象经常在两极看到。但是，在一些极端情况下，低纬地区甚至赤道地区也能看到极光。出现在低纬地区的极光多为红色，而高纬地区多见绿色或黄绿色极光，此外还有较为罕见的粉红色、紫色、蓝色极光。

  极光的颜色是如何形成的？原理其实很简单。极光是由从地球磁层闯入的高能粒子以高达每秒2万千米的速度撞击地球高层大气而引起的。在这一过程中，这些以电子为主体的高能粒子就会激发气体原子和分子并产生极光。这与霓虹灯的工作原理十分类似：当分子和原子被电子激发到高能量状态的激发态时，它们必须返回到其原始能量的基态，并通过释放光子的形式来释放能量。

在地面上空200千米以上，高能电子首先遇到的是一层富含氧原子的大气，它们与这些氧原子碰撞，将氧原子赋能到激发态。由于大气密度随着高度的上升而迅速衰减，200千米以上高空的大气十分稀薄，因此这些被激发的氧原子与其它原子发生碰撞的概率非常小，这就使它们可以在释放光子之前跑出相当远的距离，于是这一层的极光就呈现出云雾状的弥散形态。

  这些被激发的氧原子释放出淡红色的光芒，构成极光的最高层。所以，即使磁纬度较低的我国北方地区，有时也可以在北方地平线上观测到这一抹淡红。这也是为何低纬度地区出现的极光大多是红色。

  当高能电子继续沉降来到距地面100至200千米之间的中层大气时，这里的大气密度逐渐升高，氧原子和氮分子逐渐增多。在中层大气，高能电子激发的仍然主要是氧原子，但由于环境的改变，这里的氧原子主要释放出黄绿色的光子，因此在这一层，极光往往呈现黄绿色。这种极光不仅亮度较高，而且由于人眼对于绿色更为敏感，因此黄绿色成为高纬度地区最常见的极光颜色。

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一般强度的太阳活动所产生的极光，往往到黄绿色就结束了。但当我们遇上一次十分猛烈的太阳活动时，磁层内的电子就会被加速到很高的能量状态，穿过中高层大气的层层阻挡，来到80千米以下的浓密大气层。在这里，原子态的氧极其稀少，因此不能作为发光的主要物质。但这里的氮分子足够密集，足以发出可观强度的光芒，于是就成了极光的主导发光物质。氮分子及其离子被激发后，几乎瞬间就会释放出光子，在空中留下粉色、紫色、洋红色，甚至蓝色的印迹。这些是极光的最低层，是高能电子在地球大气中踏下的最深“足印”。

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