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【星空美图】舞动的精灵——地球的极光②

来源:光明网2019-06-03 17:26

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  上篇我们介绍了极光的前世今生,并知道了极光为什么会是黄绿色或紫红色,今天就来和大家聊一聊观看极光的正确姿势~

  极光的形态和分布

  极光被视为自然界中最漂亮的奇观之一。早在2000多年前,中国就开始观测极光,有着丰富的极光记录。极光多种多样,五彩缤纷,形状不一,绮丽无比,在自然界中还没有哪种现象能与之媲美。任何彩笔都很难绘出那在严寒的两极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。

【星空美图】舞动的精灵——地球的极光②

图1 冰岛上空的龙形极光。图中的绿色极光像一条巨大的飞龙在空中盘旋,尽管真实的龙并不存在,但是我们可以通过这壮丽的极光想象飞龙在天的情景。张敬宜2019年2月摄于冰岛黄金圈瀑布 图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap190218.html

  极光有时出现时间极短,犹如节日的焰火在空中闪现一下就消失得无影无踪;有时却可以在苍穹之中辉映几个小时;有时像一条彩带,有时像一团火,像一张五光十色的巨大银幕,仿佛上映一场球幕电影,给人视觉上以美的享受。

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图2 冰岛上空的凤凰极光。背景中的黑尔加福尔山、卡尔德河都位于冰岛首都雷克雅未克以北30公里处。经验丰富的天文观察者会注意到,在山的正上方左边是猎户座,昴星团也在画面中心的正上方可见。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap160316.html

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图3 绚丽的南极光。图中央的卫星地面站好像凝视着天空中梦幻般的场景。天空中还有两个明亮的河外星系——大麦哲伦星云和小麦哲伦星云,小小的麦哲伦云透过微弱的红色极光带闪耀。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap140531.html

  如果我们乘着宇宙飞船,越过地球的南北极上空,从遥远的太空向地球望去,会见到围绕地球磁极存在一个闪闪发亮的光环,这个环就叫做极光卵。由于它们向太阳的一边有点被压扁,而背太阳的一边却稍稍被拉伸,因而呈现出卵一样的形状。极光卵处在连续不断的变化之中,时明时暗,时而向赤道方向伸展,时而又向极点方向收缩。处在午夜部分的光环显得最宽最明亮。

  极光的光谱线范围约为3100~6700埃,其中最重要的谱线是5577埃的绿色的氧发射线,称为极光绿线。极光有帷幕状、弧状、带状以及射线状等多种形状。其中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;而大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化,并最终朝地极方向消失褪去。大多数极光出现于地球上空90-130千米处,但有些极光要高得多,高度可达560-1000千米以上。

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图4 拉普兰的北极光。北半球的早春是拍摄极光的好季节。在春分时节,地球磁场的方向有利于与太阳风的相互作用,从而触发北极光的迷人光芒。在这张360度全景图中,拍摄到了广阔的极光幕,闪烁的极光有着肉眼可以清晰捕捉到的色彩。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap160408.html

  何时何地可以看到美妙的极光?

  地球磁场会引导绝大部分太阳风中的高能粒子“绕道而行”,但有少数会随着磁力线落到地球的两极“漏斗”区域,因此极光往往出现在纬度靠近地磁极附近的高纬地区。在大约离磁极25°~30°的范围内常出现极光,这个区域称为极光区。在地磁纬度45°~60°之间的区域称为弱极光区,地磁纬度低于45°的区域称为微极光区。

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图5 极光全景图。拍摄于在2017年9月27日加拿大阿尔伯塔省南部,绿色和红色的极光沿着北部(顶部)地平线向天空扩散。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap171014.html

  通常在中低纬度地区是看不到极光的,然而在太阳活动盛期,极光有时也会延伸到中纬度地带,太阳每11年左右有一个非常活动期,抛出大量高能粒子进入宇宙空间,此时出现的极光最为瑰丽壮观。先秦古籍《竹书纪年》中就有这样的记载:“周昭王末年,夜有五色光贯紫微。其年,王南巡不返。” 生活在黄河流域的先民是否真的经历了如此强烈的爆发,抑或只是司天太史的穿凿附会?

  太阳的活动以11年为周期,我们可以在现代的记录中寻找佐证。1898年9月9日,欧洲发生了极光暴,连罗马都看见了血红的天光。而1989年3月13日的魁北克极光暴甚至延伸到了佛罗里达和古巴,那么在西安看到极光也不是没有可能。

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图6 淡淡的银河与极光交相呼应 王征2018年2月摄于冰岛蝙蝠山

  由于地平线上的城市灯光和高层建筑都会妨碍我们的视线,所以极光的最佳观测地点是在高纬度地区乡间的空旷地带。在中国,能够有机会一睹极光风采的地方只有北极村。

  北极村是中国黑龙江省漠河县最北的村镇,同时也是中国最北的城镇、距离北极最近的地方。北极光虽然一年四季都有可能出现,但最佳观测时间是在每年冬至前后的夜晚。因为此时漠河常会出现万里晴空的天气,北极与漠河之间没有云层阻隔,便可以看到壮观至极的北极光了。而且此时北极正处在极夜之中,能看到极光的几率也就大大增加。虽然极光白天也会出现,但因白天阳光亮度大,极光亮度小,不易看到。

  最有希望看到北极光的地区,包括阿拉斯加北部、加拿大北部、格陵兰岛大部分、斯堪的纳维亚半岛北部以及俄罗斯北部。在太阳活动活跃、太阳风较强的时候,中国的漠河也有很小的可能性看到极光的尾巴。

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图7 阿拉斯加极光序列。拍摄于2013年12月7日阿拉斯加费尔班克斯郊外的埃斯特附近,图中从左到右,跨越了大约30分钟的时间,极光以弧状的形式延伸到100多公里的高度。这一系列图片垂直跨越了150度,覆盖了大约500公里的极光。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap131228.html

  阿拉斯加的费尔班克斯一年之中有超过200天的极光现象,因此被称为“北极光首都”。而冰岛由于整个国家都在极光带上,也是北半球受欢迎的观测极光地点。南极光与北极光是同时变化的(可视为北极光的镜像)。在高纬度的南美洲、澳大利亚、新西兰和南极洲可以看见南极光。

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图8 南极光。2015年7月,在地球南极的上空,出现了强烈闪烁的光芒在夜空中翩翩起舞,这并不是烟花,而是令人惊叹的南极光。在地平线周围是南极天文台,而在南极光的另一边则是南银河系的恒星。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap150704.html

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图9 瑞典上空旗帜状的极光。图中的彩色极光像一面50公里高的带状旗帜。这张照片拍摄于瑞典的基律纳上空,其特征是异常笔直的极光幕,绿色极光在地球大气层中较低的地方散发出来,红色极光在高几公里的地方散发出来,图中还出现了极为罕见的紫色极光。图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap150330.html

  9月到次年3月是北极光的最佳观测时间,而3月到9月则可以在南半球继续追光。为了便于追光,提前查看当天的极光指数就显得尤为重要。AuroraService(网址:http://www.aurora-service.eu/aurora-forecast/)是知名度较高的一个极光预测网站,统计数据来源是美国国家航空航天局(NASA),网站每60秒会更新一次数据。网站会给出彼时及前些时候的Kp值,一般而言,当Kp值到达3及以上时,观测者才会有机会在极光带覆盖的区域内用肉眼看见极光。

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图10 极光下壮观的赛里雅兰瀑布。2016年4月拍摄于冰岛南部 图片来源:https://apod.nasa.gov/apod/ap160404.html

  当然了,从AuroraService网站上还可以实时查询太阳风量、“极光卵”覆盖范围、以及未来三天的Kp值预测,方便小伙伴们根据极光强弱调整行程。假如你想了解极光预测范围是30分钟内的,可以查看SWPC.NOAA(网址: http://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast),它是美国国家海洋和大气管理局的太空气象预测中心的网站,也几乎是所有极光预测网站的数据来源。如果这些还不够,可以在手机上装个APP(Auroral Forecast),这个APP通过北极圈分布的几个观测站点每一小时更新一次极光的覆盖区域、强度Kp值和持续时间。结合极光带的覆盖范围,很容易就能选出观赏极光的地点。

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图11 极光下的冰岛黑沙滩飞机残骸。传说这是一架美国的运输机,因燃油耗尽而迫降于冰岛黑沙滩,但最幸运的是全部机组成员幸存。王征2019年1月摄于冰岛黑沙滩

  结语

  任何形容词在极光面前都会显得黯然失色,极光的特别,在于它美丽的外表,漆黑的寒夜中,斑斓绚丽的极光点亮了人类的瞳孔,改变了人们对天空的认知,带来一场视觉盛宴。而极光的特别,更在于人类对未知的探索,千变万化的极光如灯塔一般,吸引着科学家一步步去探寻真相。

  作者:地面应用系统,系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。

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