极光奇景
五彩缤纷、变幻莫测的极光给 在南极洲越冬的科学家们带来了无 穷的乐趣，也减小了漫长冬季给人 们心理上带来的压抑。极光的亮度 有强有弱，强极光的亮度可以把考 察站建筑物的轮廓照亮，甚至照出物体影子。
极光有时被称为北极光或南极 光，其实它们本质上是一回事，只不过是在北极或南极出现而已。我国的黑龙江省和新疆 维吾尔自治区都曾经出现过极光，只是非常难得一见，甚至比海市蜃楼还不容易看到，但 在南北极的高讳度地区，极光出现则是司空见惯的事。极光是天空中一种奇特的自然光， 是人们能用肉眼看得见的唯一的超高层大气物理现象。在南、北极的高空，大多位于100 千米以上，在漫长的极夜或极昼时，常会出现鲜艳的极光。
极光是令人神往的自然奇观，是南极和北极最为瑰丽的景色。在南极的漫漫长夜，有 时几乎整个天空都是一幅南极光的美妙景象,极光时而像高耸在头顶上的美丽的圆柱，突 然变成一幅拉开的帷幕，又迅速卷成螺旋的条带;有时极光就像传说中天女手中曼舞的长 长的彩色飘带，有时变化迅猛，形状转瞬即逝；有时又像天边一缕淡淡的烟霭，久久不动；有时似漫天光箭从天而降，几乎伸手 可触，有时又像原子弹爆炸后的蘑菇云腾空而起，令人望而生畏。当然，这一切都发生在距离地面100千米以上的大气层里。
这在南极的种种景象中，再没有比这更壮丽的了。
深刻地了解极光
早在2 000多年，我国就已经出现了关于极光的记载，而在古代的日本、希腊、罗马 也都有关于极光的文字描述。在一些民族的想象里，极光被赋予崇高的含义，比如爱斯基 摩人就认为它是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。由于科学知识的贫乏，在很长的时间 里，人们对极光的看法近乎荒诞。一种看法认为，极光是地球外面燃起的大火，因为北极 区临近地球的边缘，所以能看到这种大火。另一种看法认为，极光是太阳西沉以后，透射 反照出来的辉光。还有一种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来， 到了夜晚择放出来，.便成了极光。
进入19世纪以来，科学家试图从科学的角度来认识极光产生的原理。有研究认为，肉 眼可见的极光是由太阳风(是太阳连续不断地向宇宙空间辐射出的稳定的粒子流)与大气 原子冲撞产生的，这种看法一度成为极光成因的主流观点，被各种类型的科普书籍不断引 述。然而，后来空间物理学家通过观测发现，太阳风与大气原子冲撞后可以产生极光，但 这种极光极其微弱，而且其沉降区主要在白天一侧，肉眼一般无法看到，并不是人们看到 的极光的来源。20世纪80年代末期，美国和欧洲科学家又在地球空间磁尾发现向地球运 动的带电粒子暴发性高速流。不 过，这些高速粒子流是如何产生 的，是否和极光的形成存在联系，
一直悬而未决。磁层亚暴发射的高 速粒子流与大气原子冲撞是极光产 生的真正原因。
最近，据中国空间学家曹晋滨 等人借助4颗卫星的观测数据，首 次揭开了极光来源之谜，欧洲空间 局网站首页以“CLUSTER星座计 划揭开地球极光之谜”为题，全面 介绍了这项重要成果。
中国空间科学研究院曹晋滨博 士应邀担任欧空局CLUSTER计划 的合作科学家。在这个探测主要磁 层的空间计划里，有同轨的四颗卫 星搜集数据。曹晋滨认为，原来单 点卫星在空间只是一个单点，如果 利用多点卫星观测，有望了解更多 关于极光的信息。
经过深入的研究，曹晋滨的研究组得到了令人信服的数据：95% 的磁层亚暴发射高速粒子流时，南 北纬65° -70°的椭圆形区域都出 现了极光现象。可以确定，这些髙速 粒子流与大气原子冲撞才是极光产 生的真正原因。
依据曹晋滨介绍，所谓“磁层亚 暴”是地球磁层中巨大能量贮存和 突然释放的瞬变活动，大约每天发 生3~4次。亚暴每次释放的能量大 约相当于一次中等地震的能量，除了在地球极区空间环境的剧烈变化，还在地球电离层激 发强烈扰动，影响GPS导航信号的接收，以及卫星和地球之间的通信联络。所以，这一 研究成果不仅说明了极光的成因，对于空间天气研究和预报也有重大意义，并对保障飞行 器和宇航员的安全，以及卫星的安全使用等发挥重要作用。
极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关，另一方面又与太阳喷发 出来的高速带电粒子流有关，这种粒子流通常称为太阳风。由此可见，形成极光必不可少 的条件是大气、磁场和太阳风，缺一不可。具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星和 水星，它们的周围，也会产生极光地磁场分布在地球周围，被太阳风包袠着，形成一个棒 槌状的胶体，它的科学名称叫做磁层。为了更形象化，可以把磁层看成一个巨大的电视机 显像管，它将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成束，聚焦到地磁的极区，极区大气就是 显像管的荧光 屏，极光则是 电视屏幕上移 动的图像。通 常，地面上的观众，在某个地方只能见到 画面的1/50。
产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，例如，在美国，南到北纬40度处还曾见过北极光。极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。造成极光动态变化的机制尚示完全明了。
在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为“太阳风”。这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极，从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应，形成极光。在南极地区形成的叫南极光。在北极地区同样可看到这一现象，一般称之为北极光。
大多数极光出现在地球上空90～130千米处。但有些极光要高得多。1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看极光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在佛罗里达州，一年平均只能见到4次左右。我国最北端的漠河，也是观看极光的好地方。
18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。与此同时，伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。原来，极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，当它吹到地球上空时，会受到地球磁场的作用。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出光的前面色不一样。例如氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩被激后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。
科学家已经了解到，地球磁场并不是对称的。在太阳风的吹动下，它已经变成某种“流线型”。就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的、形似彗尾的地球磁尾。磁尾的长度至少有1000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的偶合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具“冻结”磁力线特性，所以太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时(如耀斑爆发)，常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动从极区向地球注入，这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发—退激而发光。不同的分子，原子发生不同颜色的光，这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。
事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕。地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光光谱分析可以了解沉降粒子束来源、粒子种类、能量大小、地球磁尾的结构、地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。
极光的形成与太阳活动息息相关。逢到太阳活动极大年，可以看到比平常年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也能有幸看到极光。2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现了极光景象。在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。
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