極光到㡳是什麼?如何形成的?

謝此文極光傑作之照片提供者是我們的好朋友楊先生

楊先生表示此行在同團隊友高砲相機的運鏡下加上多年來的反覆練習而臻至純熟渾練的攝影技術等等。 在全團努力地追逐北極光3天夜的成果照片經過了近一個月的時間整理,在眾人殷殷期盼下。今晚終於上桌,完美呈現。稍候會為大伙展示他們的成果。

但在觀賞令人讚嘆的美景前,我們應該也要好好地來了解一下"極光到㡳是什麼?它是如何形成的?"

 

 

 

極光到底是甚麼?

久以前,人們以為極光只是太陽光被天上微小的冰塊反射而成的,但當科學家分析極光的光譜時,發現它與太陽的光譜並不相似,由此否定了這個說法。另一方面,極光的光譜卻和一些氣體在極高電壓下放電的光譜有不少相似之處。事實上,極光是地球大氣高層的氣體分子或原子受來自太陽的高能電子碰撞後發射的。簡單來說,分子或原子受電子碰撞後,會被激發至較高的能態,甚至被電離。當離子重新俘獲電子,輾轉回到基態的時候,便會被發射某些擁有特定波長的光波。

這個模型解釋了極光的顏色。來自太陽的紫外線把氧分子分解成原子,成為了大氣最高層 (電離層) 的主要成份。當氧原子受電子激發後,便會發出極光那主要的淺綠色光芒。能量較高的電子則可深入大氣層較低的地方,激發那裡的中性氮分子,發出粉紅色或紫紅色的光輝。電離的氮分子則發出紫藍色的光。這些次要的激發豐富了極光的顏色,為這道美麗的卷簾添上了悅目的花邊。

 

 

 

極光與太陽活動有關嗎?

案是肯定有關。產生極光的高能電子來自太陽。太陽是一個熾熱的火球,在太陽的外層大氣裡,溫度可超越一百萬度。在這稱為日冕的大氣層裡,原子 (主要是氫) 因為高溫電離了,變成了一團充滿了自由離子 (主要是質子) 和電子,既高溫又非常稀薄的氣體。太陽日冕的爆發不斷把這些離子和電子拋射出太空,形成所謂太陽風。這些帶電粒子帶同太陽的磁場,走過了差不多兩天的路程才來到地球。電子遇上了地球的磁場後又會被俘虜,最後被牽引至地球南、北極附近,與大氣高層的粒子碰撞,形成絢麗的極光。因此,極光的出現與太陽的活動息息相關。太陽的活躍週期為十一年,即每隔十一年,太陽的活躍程度便會到達高峰。在這些太陽暴怒的時候,它的表面可能發生一些稱為耀斑的高能爆發,伴隨著爆發的是大量在日冕中的帶電粒子被拋射出太空。這些極高能的粒子可能帶來了比平時大千倍的能量,使極光變得非常燦爛,高度也增加了,甚至在美國也可看到。

 

極光的發光原理與發光光譜

光的產生與霓虹燈的發光原理非常相似。都是因為高能的電子撞擊了稀薄的氣體,使該氣體暫時成為一種游離的激發態或非游離的激發態。當氣體粒子處於一種高能階的「準穩定態」之激發態時,若氣體夠稀薄,在該準穩定態的生命期結束前,該氣體粒子都尚未與另一個氣體粒子相碰撞,則該氣體粒子就會自發性的由目前的準穩定態跳到下一個較低能階的準穩定態或基礎穩定態,並放出一定波長的光。因此極光與霓虹燈所放出光之顏色與氣體的成分、電子能量的大小、準穩定態生命期的長短、以及氣體有多稀薄等因素都有關係。例如圖二中的氫所發的紅光,相對應的生命期較長,因此在較低空的大氣中,空氣不夠稀薄,碰撞太頻繁,往往來不及發光就與另一個粒子發生碰撞。所以此種氫所發出來的紅光在地面上不容易看到,但是在太空梭上卻看得很清楚。

  極光光譜可由紫外線到紅外線。在可見光範圍的極光的成因,可由打入之電子能量及大氣成分(重的沈在下,輕的浮在上)而得。當打入之電子能量不太高時,可將高層氧原子打成激發態氧原子O(1S)。此激發態氧原子O(1S)回到基礎態氧原子O(3P)便發出白綠色的光(波長5577A),此即最常見的白綠色彩帶般的極光

 

當一般強度的磁層副暴發生時,打入電離層的電子能量較高,可將較下層氮分子打至不穩定的游離態氮分子離子。當此激發態氮分子離子回到基礎態氮分子離子便放出青藍色的光,波長4278A。因此在一般強度的磁層副暴時,可見北極光如青龍般在極區(約北緯70-80度左右)夜空盤旋飛舞。

 

當打入的電子能量非常高時(少有之超強磁副暴),電子得以深入低層電離層,將下層之氧分子打成兩個激態的氧原子,其中一個O(1D)可放出紅光6300A而另一激態的氧原子可為O(1D)或O(1S),故可放出紅光或綠光。因此在超強磁副暴時,可能見到血紅色的極光或紅綠相間的極光

 

參考資料
http://www.ss.ncu.edu.tw/~SpaceEdu/database/IntroSpace_notes_exam/AURORA.html

 

 

Inari玻璃極光屋的和山巔冰河天空拍攝的