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

  • 联合国中文日活动走进巴西里约热内卢

  • 第十四届北京国际电影节开幕

独家策划

推荐阅读
党的二十大报告提出,“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,加快实现高水平科技自立自强”。
2024-04-19 11:08
科技成果只有转化为实用性技术,才能推动发展新质生产力,才能释放出驱动创新的力量,也才能推动构建现代化产业体系,为实现高水平科技自立自强和高质量发展提供有力支撑。
2024-04-19 02:45
自生成式人工智能(AI)程序,如ChatGPT发布以来,何时及如何利用它撰写研究论文成为人们争论的焦点。
2024-04-19 10:08
4月19日,清华大学基础医学院教授程功团队与合作者在《科学》发表论文,提出了一项阻断蚊虫传播传染病的新策略。
2024-04-19 10:07
量子光源芯片是量子互联网的核心器件,可以看作点亮“量子房间”的“量子灯泡”,能让互联网用户拥有进行量子信息交互的能力。
2024-04-19 09:50
在山西省翼城县,通过政府搭台,构建科企合作机制,普查新发现的爆裂玉米种质资源“珍珠玉米”加快了品种开发步伐。
2024-04-19 09:48
17日,国新办举行新闻发布会解读当前经济形势和有关政策。“我国新型低空飞行器呈现蓬勃发展态势,特别是信息通信、北斗导航、高精导航等新技术广泛应用,一些企业的自动驾驶技术也不断进步。
2024-04-18 10:17
2022年底,清华环境研究院携手苏州嗨森无人机科技有限公司,合作开发了基于无人机的挥发性有机物精准溯源技术。”  截至目前,清华环境研究院已经取得了600多项知识产权,通过技术作价入股方式转化了30多项清华大学专利,形成了25支研发团队、51家孵化公司。
2024-04-18 10:16
2023年,生成式人工智能在全球范围爆火,引发了人工智能领域新一轮的科技竞赛。“大模型为通用机器人提供强大的能力,人工智能可以将运算、感知、认知、决策、创造等各类智能集成应用在机器人平台上。
2024-04-18 10:14
“总体来看,今年论坛聚焦人工智能、生命科学、新材料等科技前沿领域,以及碳达峰碳中和、医疗健康、清洁能源等民生科技领域。“北京国际科技创新中心建设的突出成效体现为‘六个创新跃升’和‘五个全球前列’。
2024-04-18 10:11
新能源目前主要指光伏发电、风力发电以及二次能源如氢能等。风和光都是自然资源,取之不竭,用之不尽。
2024-04-18 10:10
广西中医药研究院中药资源团队在开展全国第四次中药资源普查和广西第一次林草种质资源普查中,发现石山油桐、美脉假糙苏、线叶度量草、广西割舌树、洞生香草、广西肺筋草6种高等植物新物种。
2024-04-17 09:10
2023年我国公民具备科学素质的比例达到14.14%,这一最新调查数据意味着什么?对我国经济和社会发展有何重要意义?与世界主要发达国家20%~30%的公民科学素质水平相比,我国公民科学素质仍有不小差距,未来提升公民科学素质,还有哪些挑战?
2024-04-17 09:39
从国家知识产权局获悉,《2023年中国专利调查报告》近日发布。报告显示,2023年,我国发明专利产业化率达39.6%,较上年提高2.9个百分点,连续五年稳步提高。
2024-04-17 09:38
绿色是生命的象征、大自然的底色,良好生态环境是美好生活的基础、人民共同的期盼。
2024-04-17 09:38
中国科协16日发布第十三次中国公民科学素质抽样调查结果。结果显示,2023年我国公民具备科学素质的比例达到14.14%,比2022年的12.93%提高了1.21个百分点,我国公民科学素质呈现提速增长趋势。
2024-04-17 09:37
施工人员在做桥梁前移施工准备。呼兰河上,桥墩破冰器分外醒目;庆安制梁场的智能化保温棚内,一榀榀桥梁在蒸汽中凝固成型;哈伊高铁全线建成通车后,将不断满足广大群众的出行需求,为加快建设我国向北开放新高地贡献力量。
2024-04-17 09:49
近日,中国科学院理化技术研究所研究员王树涛、副研究员时连鑫团队研发出新一代针对黏性渗出液,如糖尿病足渗出液的单向导液伤口敷料。该研究为高黏性渗出液引起的伤口愈合困难问题提供了可行的解决方案,在医用敷料、渗液管理等领域具有广阔应用前景。
2024-04-17 09:40
作为一种新兴的林业信息化科技创新手段,智慧林业需要加强顶层设计,统筹指导与管理。回顾智慧林业的发展历程,我们不难发现,智能化革新已经成为现代林业发展的重要标志。
2024-04-16 10:15
习近平总书记指出“科技创新能够催生新产业、新模式、新动能,是发展新质生产力的核心要素”,同时强调“强化企业科技创新主体地位”。从内涵及本质要求来看,新质生产力由“技术革命性突破、生产要素创新性配置、产业深度转型升级而催生”。
2024-04-16 10:14
加载更多