神奇的地球的「熒光屏」效應

人類觀賞極光已經有數千年的歷史了，不過，一個根本的問題是，極光是如何產生的?太陽似乎是極光產生的原因之一。

數十年來，太空科學家已經知道，在太陽活動較為旺盛的時候，極光的出現也較為頻繁。在地球表面，我們可以藉由觀測極光來監測太陽的活動。

許多教科書將極光的成因，歸咎於從太陽發射出的帶電粒子受到地球磁場導引射人極區所致。

有些插圖甚至直接描繪粒子如下雨般落人極區。這種說法十分符合直覺，也十分具有說服力，但是，這種解釋是不正確的。

根據過去一個世紀的研究，科學界對於極光的成因大致上已經達成共識。不過，讓人驚訝的是，幾乎所有中小學的課本，甚至某些大學普通天文學的教科書，其中對於極光的描述都沒有按照這項共識來提供正確的成因。

1896年，挪威物理學家伯克蘭提出，從太陽黑子產生的電子形成電流，沖人地球大氣而導致極光的產生。事實上，他所提出的解釋只對了一半。

後來，他的學生艾爾文利用英國物理學家查普曼於1930年提出的關於太陽風和地球磁層的模型，指出電流不是來自太陽。根據艾爾文的理論，所謂的伯克蘭電流實際上來自磁尾。在20世紀四五十年代，這項理論的爭議很大。直到1974年，藉由「探險者12」號衛星所得到的資料才證實了艾爾文的解釋是正確的。

現在就讓我們來看看極光究竟是如何形成的。

在太陽風的吹拂下，地球磁層會形成類似彗尾形狀的磁尾。就像一條被過分拉長而斷裂的橡皮筋會快速回彈，磁尾的磁力線也會不斷發生被拉扯與重連的現象。在磁力線重連的過程中，磁能會轉化為粒子的動能，大量的能量會灌注到附近的帶電粒子，其中有些粒子就會沿著磁力線被加速而沖入極區。於是，這些高能粒子就在高空和氧或氮原子碰撞而產生極光。

換一個角度來看，人類就像是生活在大自然的彩色電視影像管中。地球的大氣相當於熒光屏，由磁尾來的粒子就相當於影像管中的電子。

本文的重點在於，由太陽而來的粒子通常不是我們在晚上所見極光的直接來源。也就是說，許多書本或報刊上的描述都是錯誤的。實際上，極光的產生是由背對太陽的磁尾中的帶電粒子加速沖人大氣所造成。

極光的顏色由以下四個因素決定；入射粒子的能量；大氣中的原子和分子在不同高度的分布狀況；大氣中原子和分子本身的特性：大氣的密度不均勻，基本上越接近地表密度越高。

入射粒子的能量高低決定了粒子能夠沖人大氣層的深度，因此決定了極光產生的高度；而大氣成分隨高度的變化決定了人射粒子比較可能會撞擊到哪種原子或分子，因此決定了可能發出的極光波長。此外，大氣粒子本身的特性也很重要，這些特性直接決定所發出光的顏色。

另外，大氣密度也會影響極光的顏色。由於高層大氣密度較低，發光的過程不會受到原子和分子彼此碰撞的干擾。不過，距離地表越近，大氣密度越高，分子之間的撞擊就較為頻繁，這會使得某些波長的光比較不容易產生。

決定極光顏色的主要因素之一，就是不同種類分子在大氣中的垂直分布狀況。接近地表之處，大氣的組成十分均勻，78％是氮分子，21％是氧分子，這樣的組成直到高度約100千米為止都是如此。在更高之處，來自太陽的高能紫外線會將大氣分子分解成原子，不同種類的原子受到重力影響而產生不同的分布，較輕的原子會分布在上層。

在大氣層的最頂端，也就是在距離地表500千米以上，氫與氦原子佔了大部分；距離地表200千米—500千米之間；氧原子的數目最多；在100千米～200千米之間，則是氮分子的數目最多，其餘主要是氧原子和氧分子；60千米～100千米主要由氧分子和氮分子構成。

知道了以上大氣的分布，讀者應該就能猜到，高度介於60千米～100千米的極光，主要的光應該來自氧和氮分子；100千米～200千米的極光主要由氮分子和氧原子所貢獻；在200千米以上，極光主要來自氧原子，少部分來自氮分子；在大氣的最高層，氫與氦原子也會產生極光，不過這些光十分微弱，肉眼不容易見到。

大氣的密度也是決定極光顏色的重要因素之一。在地表附近，每立方厘米的空氣約有高達1019個分子。大氣密度隨著高度而降，低，在距離地表50千米處，密度下降1000倍。到了100千米處，密度更是比海平面降低200萬倍。不過，到了200千米的高空，每立方厘米仍然有100億顆氣體粒子。相較之下，太陽風粒子的密度僅約為每立方厘米5顆。

儘管150千米以上的高空仍然有許多氣體粒子，粒子之間的撞擊已經不像低空那樣頻繁。碰撞會影響極光顏色，這是由於撞擊會把處於激髮狀態的原子或分子的能量奪走，而這些能量原本是會放射出特定顏色的光。由於氧原子第一激發態的存在期長達110秒，在這段時間內如果受到其他原子撞擊，就會失去能量而無法放出波長6300埃的紅光。在200千米以上的高空，碰撞頻率很低，所以影響不大，但是在比較低的高度，紅色光就明顯受到抑制。

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