點(diǎn)擊
“國(guó)家空間科學(xué)中心”
可以訂閱哦！
空少問(wèn)答
小課堂
第六十七期
3
月
19
日
周
一
答：為什么極光出現(xiàn)在南北極附近的圓環(huán)形區(qū)域？
上周六，空少為大家留了1個(gè)問(wèn)題，來(lái)看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！
想要查看原問(wèn)題背景介紹的朋友們可以點(diǎn)擊《問(wèn)：問(wèn)：為什么極光出現(xiàn)在南北極附近的圓環(huán)形區(qū)域？》~下面就讓我們來(lái)看看空少的解答吧！
空少正解
上期我們講到，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）與挪威合作的名為“極光區(qū)氣流上涌火箭實(shí)驗(yàn)”的計(jì)劃，研究的是極光對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)的作用。
極光，是出現(xiàn)在極區(qū)、來(lái)自地球磁層或太陽(yáng)的高能帶電粒子流沉降到高層大氣中、使大氣分子或原子激發(fā)（或電離）而產(chǎn)生的絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。因此，極光是一種由宇宙空間的粒子與地球高度很高的中性大氣粒子之間發(fā)生作用產(chǎn)生的現(xiàn)象。
上期我們也說(shuō)到，最近（3月14-15日）有比較強(qiáng)烈的太陽(yáng)活動(dòng)，可以激發(fā)極光，但極光不是越往南、北極去就越強(qiáng)的，主要分布在“極光卵”區(qū)，也就是一個(gè)南北極附近的圓環(huán)形區(qū)域。那么，為什么極光只出現(xiàn)在南北極附近，而且出現(xiàn)區(qū)域是個(gè)圓環(huán)形區(qū)域呢？
“極光卵”
地球中性大氣的粒子能量較低，而宇宙空間來(lái)的能量較高的粒子，會(huì)對(duì)它碰撞、激發(fā)。能量較高的粒子往往帶電，帶電粒子在磁場(chǎng)中要受力偏轉(zhuǎn)，所以我們地球周圍的磁場(chǎng)對(duì)我們是一個(gè)保護(hù)，把充斥在宇宙空間中、對(duì)我們?nèi)梭w有害的高能量粒子擋在外邊。
但是，太陽(yáng)來(lái)的粒子（太陽(yáng)風(fēng)）源源不絕，就好像我們?cè)陲L(fēng)中走的時(shí)候頭發(fā)會(huì)被吹到腦后，地球的磁場(chǎng)也被“吹”到“身后”，在太陽(yáng)風(fēng)中的地球磁力線示意圖如下圖所示，其實(shí)它們會(huì)在地球背面很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)拖出一條長(zhǎng)“尾巴”，是空間科學(xué)中著名的“淚滴形”：
地球磁場(chǎng)的磁力線被太陽(yáng)風(fēng)吹”到“身后”
磁力線一部分在地球正面形成環(huán)，一部分在背后一直延伸到很遠(yuǎn)，而沒(méi)有特別的力作用，大部分粒子是不能橫穿這些磁力線的。這么一來(lái)，正面的太陽(yáng)高能粒子就被磁力線“圓環(huán)”擋住了。但是，圖上也能看出，在正面的環(huán)和倒向后方的磁力線之間，南北極附近各有一個(gè)“漏斗”，這里就叫“極尖區(qū)/極隙區(qū)”，太陽(yáng)風(fēng)粒子可以直接“灌”進(jìn)來(lái)，沿著磁力線一直進(jìn)入到較低的高度（“高”和“低”只是相對(duì)，這里依然是地球高層的大氣，極光出現(xiàn)的高度一般離地面100千米到500千米），就能激發(fā)地球大氣粒子，發(fā)出“極光”。不過(guò)，因?yàn)榘滋礻?yáng)光強(qiáng)烈，肉眼看不到這些“極光”，但發(fā)光現(xiàn)象依然是存在的。
太陽(yáng)風(fēng)粒子可以從極尖區(qū)進(jìn)入
可想而知，另一條路，高能粒子從背面來(lái)呢？在地球背面的遠(yuǎn)處，這些磁力線匯合時(shí)，就可能重新連接，釋放的能量把那里的粒子加速，一部分遠(yuǎn)離地球而去，而一部分就沿著磁力線又想著地球飛來(lái)。這些粒子有的是太陽(yáng)風(fēng)在正面跟著磁場(chǎng)“包裹”進(jìn)來(lái)的，有些還是從地球跑出去的，反正經(jīng)過(guò)一些活動(dòng)，大致南北兩瓣的磁力線中間的那些磁力線重新連接（“重聯(lián)”）、粒子沿著這些磁力線飛向地球，進(jìn)入大氣，激發(fā)極光；而這些磁力線并不是地磁南北極中心位置出去的，恰恰是大約離地磁極20~25°地磁緯度上的那些磁力線，因此在稍微遠(yuǎn)離南北極中心位置的地方才是極光出現(xiàn)的主要區(qū)域。這部分極光更強(qiáng)，也沒(méi)有太陽(yáng)光的干擾，是我們平時(shí)說(shuō)的極光。
地球背面磁力線重聯(lián)，粒子沿著磁力線到達(dá)地球兩極附近的“極光卵”
而這些示意圖是二維的，想象三維情況下的地球及其磁場(chǎng)（磁層），極光出現(xiàn)的區(qū)域就變成了了圓環(huán)形，也就是“極光卵”。
三維地球磁層
因此，簡(jiǎn)單總結(jié)：激發(fā)極光的高能粒子需要沿著磁力線飛行，其所沿著的磁力線發(fā)源于南北極附近的圓環(huán)形區(qū)域，所以極光出現(xiàn)在這樣一個(gè)區(qū)域。
留言區(qū)·精選
因?yàn)榈卮艌?chǎng)就相當(dāng)于一個(gè)磁鏡，捕獲等離子體，使得等離子體到磁鏡點(diǎn)折返，來(lái)回折返運(yùn)動(dòng)。如果入射粒子平行于磁場(chǎng)（橫向動(dòng)能較?。└鶕?jù)粒子的磁矩不變，就要求磁鏡點(diǎn)的磁場(chǎng)更大。越靠近磁極磁場(chǎng)越大，此時(shí)高度已較低，已經(jīng)在高層大氣范圍。帶電粒子就會(huì)與大氣層的分子產(chǎn)生碰撞，使得部分分子能力升高，然后自發(fā)從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，產(chǎn)生極光。。。
與地球磁場(chǎng)的位形有關(guān)，越往兩極，磁場(chǎng)與地面的傾角越大。
感謝大家的支持，我們下期再見(jiàn)！
國(guó)家空間科學(xué)中心微信公眾訂閱號(hào)（ID：nssc1958）
國(guó)家空間科學(xué)中心
進(jìn)入空間 發(fā)現(xiàn)科學(xué) 公益服務(wù) 科學(xué)傳播
ID：nssc1958
聯(lián)系客服
