正在阅读: 【星空美图】 “舞动的精灵”——地球的极光①
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

【星空美图】 “舞动的精灵”——地球的极光①

来源:光明网2019-04-25 17:34

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  它是在高纬度地区天空中舞动的精灵,是任何彩笔都难以绘出的炫目之光,它五彩缤纷、绮丽无比,它是自然界中最漂亮的奇观——极光。早在公元前2600年,中国就有关于极光的记载,但这变幻莫测的神秘之光是如何形成的?它到底是什么颜色?跟随我们一探究竟~

  一个晴朗的夜里,站在阿拉斯加、加拿大或格陵兰冰岛的土地上,仰望天空,幸运的你或许可以看到一条越来越亮并且正在往南移动的绿色光带,然后在数分钟之内,你也许会看到这带状的极光会散裂成许许多多条小的光带,有些光带也许还会往北移动,如果你足够幸运还可以看到光带跃跳着并转变成红色、紫色和白色。没错,你看到的是大自然最美的奇迹之一——极光。

  注:视频采用了8-15鱼眼镜头对整个天区极光变化进行了延时视频记录。鱼眼画面的四周是所处环境,主体是天空。王征2019年2月摄录于冰岛黄金圈瀑布

【星空美图】 “舞动的精灵”——地球的极光①

  图1. Kp6的极光会在变化过程中呈现出各种形态。此图由两张图拼接而成,得到的极光如在天空中展翅的凤凰。而更巧的是这一天正是北京的除夕之夜。王征2019年2月摄于冰岛黄金圈瀑布

   极光的前世今生

  人们所知最早记录极光的文字是在公元前2600年。《河图稽命征》上说:“附宝(黄帝的母亲),有一晚看到在北斗天枢星附近一道极强的光跃动着,照耀原野,感而受孕二十五个月后生下黄帝轩辕”。这里跳动的光,很可能指的就是北极光。1619年,伽利略以学生Mario Guiducci 的名义出版了一本关于彗星对话的小册子《Discorso delle comete》,册子中他以罗马神话的曙光女神奥罗拉(Aurora,也有人称欧若拉)之名创造出"aurora borealis"一词命名极光,称极光为“北国的曙光” (“boreal aurora”),意在强调说它同曙光一样,都是大气散射的阳光,而彗星也是如此云云。

【星空美图】 “舞动的精灵”——地球的极光①

图2. 图片拍摄地点是位于冰岛的一座古老火山,天文摄影师Sigurdur William Brynjarsson幸运地拍下了如此美丽的景色。天空中极光带呈现出绚烂的色彩,红色在地球大气层中比绿色更高,这飘逸的极光如同天空中的彩带为翩翩起舞,并倒映在大约有3000年历史的名为Kerid的火山口湖上。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap170306.html

  1621年在极地旅行的法国科学家 Pierre Gassendi 用拉丁语记录下他看到的美丽景象,称作 “aurora borealis”(北极光),后来英国的库克船长在南极圈中也意外看到了同样的奇观,于是又有了“aurora australis”(南极光),极光aurora的名字就这样叫开了。

【星空美图】 “舞动的精灵”——地球的极光①

图3. 冰岛具有大量的地热资源,可以看到灯光将地热口喷出的气体点成了粉红色,极光此时爬上了天空,与地热的蒸汽交织在一起。王征2018年2月摄于冰岛米湖

  虽然我们大多数人并没有亲眼见到过极光,但只要提到它依然会在脑中闪过这样的画面:空旷的夜空中,飘渺的绿光如丝带般飞舞飘动。极光真的是这样吗?极光到底是怎样形成的呢?

  极光是怎样形成的呢?

  1790年,英国著名物理学家卡文迪许用三角测量法定量估计了极光的高度,发现它属于100千米左右的高空,但这个正确的结果并没有得到证实,因为当时载人热气球才刚刚出现(即使在今天,开放式热气球最多也只能升到1万米的高空),没人知道100千米的高处有些什么。19世纪,瑞典天文学家埃格斯特朗(Ångström)在分析太阳光谱时,第一次将光谱仪对准了极光,发现其并不是色散的连续谱,而是明显的发射谱。

  1896年挪威的物理学家Kristian Birkeland 给出了一个解释:高能带电粒子被地球磁场捕获,进入大气激发气体分子发光。他在真空室中放入一个磁化的球(代表微型地球的"terrellas"球),以电子射束进行实验,表明电子将被引导至极区。他设计的精彩实验给公众留下了深刻的印象,但为技术水平所限,直到上世纪六十年代才终于被卫星观测证实。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。

  现在人们已经知道,地球的极光是来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流(太阳风)使高层大气分子或原子激发(或电离)而产生的一种绚丽多彩的发光现象。极光常常出现于纬度靠近地磁极地区上空,一般呈带状、弧状、幕状、放射状,这些形状有时稳定有时作连续性变化。太阳风是从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。这种物质虽然与地球上的风不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的粒子——质子、电子、α粒子组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,所以称它为太阳风。

  我们可以把地球视为一个巨大的磁铁,其中磁北极在地理南极附近、磁南极则在地理北极附近。这两极所产生的球体磁场即为地球磁场。太阳风是一种等离子体,地球磁场的存在像是为地球张开了一把大伞有效地阻止了太阳风的长驱直入。在地球磁场的“反抗”下,太阳风中的大部分高能粒子会绕过地球磁场,继续向前运动,但有些高能粒子会被地球磁场俘获,并沿着磁力线向磁极落下。这些下落的高能带电粒子,与两极大气层中的氧、氮等分子、原子发生碰撞,使之成为激发态的离子,并发射出不同波长的辐射。由此便产生出壮美的极光。在南极地区形成的叫南极光,在北极地区形成的叫北极光。

【星空美图】 “舞动的精灵”——地球的极光①

图4. 地球磁场示意图

  极光是什么颜色的?

  从上述内容我们知道,美丽的极光正是太阳风、地球磁场和大气层共同作用的杰作。太阳风中高能带电粒子的能量、数量和大气层中不同高度处不同原子、分子的特性直接决定着极光的颜色和强度。入射离子的能量高低决定了粒子能够冲入大气的深度。在不同的高度碰到不同种类的气体分子便会产生不同的颜色。

  通常来说,在200千米以上的高空,带电粒子撞到氧原子时,氧原子会受激发出红光。而在100~200千米高空,氧原子则会受激发出黄绿色光,这也是我们最经常会在极光照片上看到的那种颜色。另外,电离状态下的氮会发出蓝光,中性的氮分子受到撞击时发出的则是紫红色光。

【星空美图】 “舞动的精灵”——地球的极光①

  图5. 磁纬相对低的俄罗斯,看到的极光如西瓜一般,红绿相间。王征 2018年1月摄于俄罗斯的摩尔曼斯克

  好啦,今天的讲解就到这里了,欲了解更多极光知识,欢迎关注我们后续发布的内容哦~

  作者:地面应用系统,国家重大科技专项中国月球探测工程和中国首次火星探测工程五大系统之一,由中国科学院国家天文台承担,负责月球与火星探测任务科学探测计划制定,有效载荷运行管理,探测数据的接收、处理、解译和管理,按工程管理要求发布数据,组织开展科学数据的应用和研究。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 守护黄岩岛 青春在这里像浪花一样绽放

  • 新春临近 各地文旅市场火热

独家策划

推荐阅读
近日,一个名为Moltbook的社交平台突然走红。与普通网络平台不同的是,Moltbook上的用户都是AI智能体。
2026-02-14 09:21
全球规模最大的200万吨/年柴油吸附分离装置目前在中国石油广西石化稳定运行。
2026-02-14 09:16
大连理工大学赵珺教授带领师生团队正抓紧时间,为实现可重复使用运载火箭关键部件的“复用检测”技术突破全力冲刺。
2026-02-14 09:12
一场刷新人类对宇宙极端物理过程认知的高能事件,被中国科学卫星清晰捕获并成功解读。
2026-02-14 09:11
近日,中国计量科学研究院研制的锶原子光晶格钟NIM-Sr1正式获准校准国际标准时间,实现了我国光钟参与校准国际标准时间“零”的突破。
2026-02-14 09:10
装上智能仿生手,截肢患者可以轻松拿起水杯喝水;高位截瘫患者用意念移动电脑光标,操控轮椅,指挥机器狗取外卖……
2026-02-13 09:50
凌晨2时,南昌西动车组运用一所检修库内灯光如昼。“接触网已断电,安全措施准备完毕,申请登顶!”确认许可后,国铁南昌局电务段南昌西车载设备车间工长曹准与工友一前一后登上动车组车顶,对北斗天线进行全面“体检”。
2026-02-13 09:45
近日,广西涠洲岛海域发生渔船撞击布氏鲸事件,鲸鱼受伤的画面令人揪心。虽然撞鲸的并非观鲸船,但这起事件也给正处于旺季的观鲸游敲响警钟——负责任地观鲸,有边界地亲近,人与自然和谐共生图景才能真正长久。
2026-02-13 09:43
核光钟通过真空紫外激光诱导原子核跃迁,具备更高精度与强抗干扰能力,且可实现便携化应用。但研制核光钟的道路上的一个核心瓶颈,是无法研制出能激发核跃迁的连续波激光光源。
2026-02-13 09:42
2021年,王勤团队开始研发低成本、适用于牧场环境的马匹体形自动测定设备。王勤团队搜集了全球90个马群体、近40个品种的基因组信息,构建了包含2000多个个体的参考面板——这是目前全球规模最大的马基因组参考数据库。
2026-02-13 09:36
一纸锦旗山水间,杏林春暖绿意长。
2026-02-12 11:01
金星与地球大小相近,同样诞生于太阳系内侧,却有着截然不同的命运。
2026-02-12 09:41
科技部十司相关负责同志解读《调查处理规定》。
2026-02-12 09:38
《细胞》封面:猕猴屏状核细胞分类与全脑联接图谱。在当前脑图谱大科学计划研究目标迈进绘制非人灵长类介观脑图谱的关键阶段,中国科学家仍在进一步集聚全球力量,持续扩大“朋友圈”。
2026-02-12 09:25
据悉,在战略上,植物星球计划还将整体提升全球生物多样性保护和实现碳中和的生态能力,构建植物科学领域全球大科学命题国际合作的新格局。
2026-02-12 09:17
马年将至,作为一种兼具力量与速度的动物,马正受到格外的关注。
2026-02-12 09:12
工业和信息化部等五部门近日印发《关于加强信息通信业能力建设支撑低空基础设施发展的实施意见》。加强监管能力体系建设,规划无人机专用号段,推动“一机一码一号”能力建设,探索标识解析在无人机领域的应用,形成无人机通信资源精细化管理。
2026-02-11 09:25
全球森林逐渐被快生树木主导,而稳定生态系统的慢生树种正在消失。“我们关注的是极为独特的物种,它们主要集中在生物多样性丰富、生态系统联系紧密的热带和亚热带地区。“此外,在现在和未来受到干扰的地区,非本地物种可能会加剧对光、水和养分的竞争,从而使本地树木更难生存。
2026-02-11 09:32
中国科学院动物研究所研究员王红梅带领的“灵长类胚胎发育的规律解析与体外模拟团队”,用27年的接力攻坚,把灵长类早期胚胎发育这个看不见、摸不着的“黑匣子”,变成了清晰可见的“生命剧本”。
2026-02-11 09:32
截至1月28日,“横竖都是世界第一”的贵州花江峡谷大桥累计接待游客突破130万人次,通行车辆超20万辆次,持续为区域发展注入新动能。大桥带来的发展溢出效应令人瞩目,而深入大桥肌理探查,你会发现,支撑起这座庞然大物的每根细钢丝,全部都是“中国造”。
2026-02-11 09:31
加载更多