吳進(jìn)遠(yuǎn)

極光是一種美麗迷人的自然現(xiàn)象，看到極光據(jù)說是人生四大夢(mèng)想（另一個(gè)版本說是七大夢(mèng)想）之一。同時(shí)，看極光也是許多高端旅游產(chǎn)品的賣點(diǎn)。不過，要想看到真的極光，必須了解極光是怎樣產(chǎn)生的，極光有什么特點(diǎn)，如何與晨曦、晚霞或者月光相區(qū)分。

在這篇文章里，我們首先討論極光產(chǎn)生的機(jī)制，然后與大家分享作者在一次坐飛機(jī)時(shí)拍攝到的極光照片，并且介紹拍攝的要點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)。

作者利用這些照片制作了一個(gè)視頻，并且將有關(guān)知識(shí)寫成了一首歌。讀者可以以此作為中小學(xué)科學(xué)課的教學(xué)素材，也可以當(dāng)作業(yè)余文娛活動(dòng)時(shí)合唱曲目（文后附有詞曲），乃至作為廣場(chǎng)舞的伴奏（不是開玩笑，作者確實(shí)在作品中設(shè)計(jì)了很酷炫的節(jié)奏變化）。

此外，作者希望這首歌成為一塊引玉的板磚，期待見到其他科普作者創(chuàng)作出更多更好的科學(xué)普及歌曲。

01 極光的生成機(jī)制

關(guān)于極光產(chǎn)生的機(jī)制，有很多細(xì)節(jié)人們?nèi)匀徊磺宄?，不過有一點(diǎn)已經(jīng)得到確認(rèn)，那就是極光的能量是由太陽風(fēng)提供的。

太陽風(fēng)是太陽向周圍噴射的帶電粒子，其中主要的成分是質(zhì)子。我們平時(shí)看到的太陽好像是個(gè)溫火慢燒的煤球，可是實(shí)際上太陽內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換過程非常劇烈。太陽活動(dòng)會(huì)在太陽表面產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬千米的熾熱氣流，將太陽的物質(zhì)向外拋射，每秒能拋出800千克左右。

需要注意的是，不要將太陽風(fēng)與太陽光混淆，太陽風(fēng)的粒子也不是以光速飛出來的。太陽風(fēng)的速度在200千米/秒至900千米/秒，飛到地球需要幾天時(shí)間，而太陽光到達(dá)地球只需要8分鐘。

太陽風(fēng)的粒子到達(dá)地球附近后并不會(huì)直接砸下來，因?yàn)槲覀兊牡厍蛴写艌?chǎng)。太陽風(fēng)的帶電粒子進(jìn)入地球磁場(chǎng)后就受到洛倫茲力，開始拐彎。洛倫茲力總是與帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向相垂直，因此并不會(huì)使它的能量損失，但能改變它的方向。在地球磁場(chǎng)的作用下，太陽風(fēng)粒子大部分將繞過地球，而不是吹到地球上。

由于太陽風(fēng)是帶電粒子，如此大量的帶電粒子運(yùn)動(dòng)將形成很大的電流，產(chǎn)生一個(gè)大尺度的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與地球自身的磁場(chǎng)疊加，使得地球周圍空間總磁場(chǎng)的形狀像一個(gè)快速游泳的水母——有一個(gè)扁球狀的頭，后面拖著一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴。

地球上的生物，從恐龍到人類，都應(yīng)該感恩地球的磁場(chǎng)。如果沒有磁場(chǎng)會(huì)怎么樣呢？一個(gè)活生生（確切說：死翹翹）的例子就是我們的“鄰居”——戰(zhàn)神火星。有科學(xué)家認(rèn)為，火星在約40億年前失去了磁場(chǎng)，于是太陽風(fēng)就把火星表面的氣體分子吹走了?，F(xiàn)在，火星表面大氣壓強(qiáng)約6百帕（hPa），而地球表面大氣壓強(qiáng)約1000百帕。如果地球磁場(chǎng)沒有了，我們周圍的大氣最終也會(huì)被太陽風(fēng)吹走，變成像水果罐頭瓶里那樣的近似真空。

當(dāng)然，大氣丟失有一個(gè)過程，不至于我們哪天上著班或者睡著覺，周圍就一下子變成了真空，我們就都原地爆炸了。不過，我不很清楚，在大氣逐漸被太陽風(fēng)吹走的這段時(shí)間里，有沒有地面的生物來得及進(jìn)化成為可以在低壓中生存的物種，或者在地下水體中生存的生物，并且一直存活下去。前不久，科學(xué)家在火星冰蓋下發(fā)現(xiàn)了冰下湖，相信人們?cè)诓痪玫膶?，就能知道那里是不是存在生物了?/p>

好了，我們不要再開腦洞想象不太會(huì)發(fā)生的災(zāi)難了。讓我們回到現(xiàn)在，繼續(xù)欣賞談?wù)撁利愳o好的極光。太陽風(fēng)的帶電粒子來到地球的外層高空，磁場(chǎng)施加在這些運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子上的洛倫茲力，使得它們拐彎，可以想象其中會(huì)有一部分在磁場(chǎng)中繞著圈地轉(zhuǎn)。高空大氣被電離以后，有的電子也可能從太陽風(fēng)獲得能量，在磁場(chǎng)中繞圈。這些帶電粒子可能具有一定的向南或向北的初始速度分量，于是它們就會(huì)沿著像牽?；ㄌ僖粯拥穆菪壽E，向北極或南極運(yùn)動(dòng)。

在靠近兩極的地方，地球的磁場(chǎng)比較強(qiáng)，因此，帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑就會(huì)越來越小。這樣一來，帶電粒子運(yùn)動(dòng)的空間就狹窄了，相應(yīng)密度就大了。地球磁場(chǎng)就像漏斗一樣，讓巨大外層空間中的帶電粒子，集中到南北極的上空。

當(dāng)然，大部分帶電粒子并不會(huì)打到兩極的地面上。因?yàn)閮蓸O附近的磁場(chǎng)是漏斗形的，帶電粒子轉(zhuǎn)圈時(shí)，受到的洛倫茲力有向上的分量。這個(gè)向上的分量使得粒子向下運(yùn)動(dòng)的速度逐漸變慢，最終向上飛回去。這種現(xiàn)象叫作磁鏡效應(yīng)。

存在于北極與南極上空的這些帶電粒子，在運(yùn)動(dòng)中會(huì)與大氣中的分子與原子碰撞，使之被激發(fā)，達(dá)到較高的能級(jí)。當(dāng)被激發(fā)的原子回到基態(tài)時(shí)，釋放出一定能量的光子，就形成了極光。根據(jù)原子激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間能量差的不同，放出光子的能量也不同，而光子的能量與光的頻率成正比，因此我們可以看到不同顏色的極光。

在極光的光譜當(dāng)中，最主要的是558納米的綠光，這是氧原子發(fā)出的。原子態(tài)的氧存在于高層大氣，而在100千米高度以下含量急劇減少。因此，很多時(shí)候極光都有一個(gè)清晰的下部邊界，像是一幅裁剪整齊的幕布。

02 極光拍攝的要點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)

太陽風(fēng)強(qiáng)弱的變化與地球的季節(jié)沒有簡(jiǎn)單確切的關(guān)系，因此極光在任何季節(jié)都可能看到。大多數(shù)情況下，極光的亮度比較暗，要在天色全黑的情況下才能看到。在夏季，尤其是接近夏至期間，高緯度地區(qū)日照時(shí)間很長(zhǎng)，夜間很短，在北極圈之內(nèi)甚至?xí)霈F(xiàn)極晝，太陽24小時(shí)不落，這樣就不可能看到極光。如果單考慮黑夜時(shí)長(zhǎng)，固然冬季最佳，但是冬季去高緯度地區(qū)恐怕太冷了。因此，綜合考慮起來，春秋季是比較折中的時(shí)段。