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[宇宙天文] 「轉載」極光

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發表於 2014-5-27 22:34:19 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

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本帖最後由 Peers123 於 2014-5-27 23:11 編輯

究竟什麼是極光(aurora)?顧名思義,極光是指發生在地球高緯度地區極圈附近上空極高處的光,因此有北極光(northern light,學名為「aurora borealis」,意指「北方的黎明」)與南極光(southern light,學名為「aurora australis」,意指「南方的黎明」)兩種。學理上來說,極光為一種,能在地球夜空中呈現出壯麗景觀的地球物理學現象,是太陽與地球產生相互作用的結果。

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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:36:12 | 顯示全部樓層
然而,在尚未以科學方法有系統地探究極光真面目的1870年之前,人們對極光的產生一直有著錯誤的理解,認為極光是太陽光照射在冰山、極區冰帽與北極海的反射結果,甚至也有人將它說成是大氣中的冰晶反射太陽光形成的。人們常常是根據觀測到的極光的顏色、形狀和運動狀態等特徵,從日常事物中選取適當類比來稱呼並藉以解釋所看到的極光,因此從古希臘羅馬時代就出現諸多如下稱謂:裂口、秤桿、火炬、箭、飛火、飛龍、歡樂的舞者、燃燒的長矛、佛祖之光……等等,不勝枚舉。

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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:38:11 | 顯示全部樓層
極光是來自太陽與地球的相互作用

對任何初次聽到「極光」這個名詞的人來說,首先浮現出來的疑問不外乎:極光是什麼?以及它們是如何產生的?針對此類基本疑問給出簡短而不致誤導的答案,就是極光實際上為出現在天空中極高處的光,一般來說不會低於地表上方60公里,平均都在1百公里左右,甚至可高達數百公里處,而且它們只能在晚上才看得到。極光的形成就像在廣告招牌和櫥窗中展示的霓虹燈,在霓虹燈管中注入一些低密度的特定氣體,當電流通過時,與組成氣體的粒子相碰撞,就會發出特定顏色的光,顏色則視內部的氣體種類而定,極光的顏色也是由高空中的氣體種類來決定的。

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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:40:20 | 顯示全部樓層
知道了極光出現的位置、如何發生的類比,以及極光顏色的形成等大致情形後,要進一步了解極光產生的機制、形狀、顏色、亮度、運動狀態等特徵,必須先介紹太陽和地球的一些基本特徵。

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太陽主要由氫原子組成,為一顆平均溫度達5、6千度的高溫大火球,其最外側為延伸可達數百萬公里、溫度將近絕對溫度2百萬度的日冕(corona),足以將氫原子的電子剝離而形成一種包含質子和電子等帶電粒子的電漿(plasma)狀態,持續從太陽射向太陽系的每個角落,就是所謂的太陽風(solar wind),以平均每秒約4百公里的速度來到距離太陽1億5千萬公里遠的地球大約需要3天,此外由日冕洞(coronal hole)、太陽閃焰(solar flare)、日冕質量放射(coronal mass ejection)三種現象產生的太陽風更猛烈,且能更快抵達地球。極光基本上就是太陽風與地球這個大磁鐵之間產生相互作用所造成的現象之一。


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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:41:43 | 顯示全部樓層
英國物理學家吉伯特(William Gilbert)在1600年就證明地球為一塊巨大的磁鐵,會形成偶極磁場,磁場線分別從南北地磁極輻射出去並連接成環,在地球周圍形成磁場。正是這個磁場阻擋住太陽風,使其大部分通過由地球磁場形成的磁層(magnetosphere)外側,不讓其大舉穿透地球大氣層。面向太陽一側的磁層受到太陽風擠壓,原本厚達20個地球半徑的磁層變成只剩一半左右的程度;而遠離太陽一側的磁層則被拉扯出呈類似彗尾形狀的磁層尾,可以延伸達數百個地球半徑遠。


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當太陽風來到磁層尾時,由於本身所具有的微弱磁場與地球磁場的外側邊緣(稱為磁層頂)產生相互作用而造成高度扭曲狀況,就有可能使磁層出現漏洞,使得太陽風中的帶電粒子能滲進地球磁場裡。這些進入地球磁場區域內的帶電粒子會以螺旋形路徑沿著地球磁場的方向行進,由磁場線帶領到南北地磁極附近上空的大氣層裡。


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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:45:16 | 顯示全部樓層
挪威物理學家柏克蘭(Kristian O. B. Birkeland)在1896年即推論,由於電子受到地球磁場的導引而被侷限在圍繞極區的圓形區域裡,他甚至暗示太陽就是提供這些電子的來源。日後藉由人造衛星的觀測,在1963年證實了極光的出現確實被侷限在以地磁極為中心、直徑可達約4千公里之近乎圓形的環狀區域裡,稱為極光橢圓區(auroral oval)。


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以地球南、北二個地磁極為中心各形成一個極光橢圓區,北半球的極光橢圓區一般會通過阿拉斯加、加拿大北部、格陵蘭南部、冰島、挪威北部海岸,以及俄羅斯的西伯利亞海岸外側;南半球的極光橢圓區則有部分通過南極大陸,其餘通過印度洋南部,由於它與有人居住的非洲、南美洲、澳洲和紐西蘭有相當距離,因此直到1773年,著名的英國探險家庫克(James Cook)船長在印度洋南部航行期間,才首次記錄下南極光的出現情形。


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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:47:05 | 顯示全部樓層
極光橢圓區所涵蓋的範圍並非以地磁極為正中心,而是會稍微朝地球的夜晚一側偏離,其寬度與延伸範圍在太陽黑子11年的循環週期裡都會改變。在太陽黑子循環週期的極大期裡,來自太陽的龐大帶電粒子流抵達地球就有可能形成磁暴(magnetic storm),使得極光活動的規模增加,極光橢圓區即會變寬並延伸到地球的中緯度地區;若發生罕見的大型磁暴,甚至有可能更往赤道方向延伸。相對地,在極小期裡,極光活動的規模會減低,極光橢圓區就會變窄並向內朝地磁極收縮。


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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:47:48 | 顯示全部樓層
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:49:33 | 顯示全部樓層
極光的生成與顏色

簡單來說,極光即是由位在地球高層大氣中的原子和分子受到來自太陽風中快速運動的電子和質子的撞擊而發出的光。從太陽發出的光只要8分半鐘就會抵達地球,而組成太陽風的帶電粒子則以較太陽光慢1千倍的速度行進,來到地球需要3天。這些帶有動能的電子和質子進入地球磁層之後,會被加速至光速的五分之一左右,足以穿透大氣層來到地表上方約1百公里左右的高度。

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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:50:53 | 顯示全部樓層
被加速的電子與質子也被磁場導引至極區附近的高層大氣,行進途中會撞擊到許多大氣層的原子和分子,直到動能耗盡為止。此種撞擊過程能使大氣層中的原子和分子獲得額外能量,它們接著會立刻放出光子而發光,擁有不同組成的物質放出的光子能量也有差異,即代表一種特定波長的光,呈現出來的顏色也就不同。組成地球大氣層的成分大部分是氮和氧,不論是在地表附近或最高層都是如此,因此我們看到的大多數極光是由氧原子和氮分子產生出來的,極光的顏色即主要由這些氣體的性質來決定。


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極光的產生過程可以想像成撞球檯上的白色母球代表進入大氣層的快速帶電粒子(電子和質子),當它撞到其他色球(大氣層中的氧、氮原子和分子)後,接著會繼續去撞其他色球,直到動能耗盡就停止前進,而這些被撞的色球即經由放出一道閃光(光子),遂將剛獲得的能量拋棄。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:51:44 | 顯示全部樓層
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:52:59 | 顯示全部樓層
對於極光的產生還可以舉出電視的例子,將太陽和地球這個系統與電視機裡的映像管做比較,就能很容易理解整個極光產生過程的一般性質。映像管的末端為會發出電子的陰極射線管,內部的電場可以將電子加速,由精確控制的磁場和電場將電子導引到映像管表面的適當位置,電子在此撞擊螢光塗料而發出光,結果就是我們看到的電視影像。

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對照於陰極射線管就是太陽及其向外延伸的太陽風,當太陽風接近地球時,大多數帶電粒子會流過磁層朝太陽系外側遠去,少部分則滲入磁層內部。地球的磁場和散布其間的電場會將帶電粒子加速並導引至地球南北極區,並撞擊高層大氣中的原子和分子。在大氣層裡發生的這些撞擊現象就如螢光塗料受到電子撞擊一樣,發出的光即是我們看到的極光。因此,我們可以說極光正是經由這種方式產生的,而我們看到的正是呈現在一個延伸達1億5千萬公里的巨大電視映像管表面的影像。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:54:06 | 顯示全部樓層
極光的產生也可視為大氣中的一種放電現象,在放電過程中,帶有能量的粒子會沿著地球磁場線傾瀉而下,產生的極光顏色即依這些粒子撞擊到大氣層中的原子和分子種類而定。大氣層中的不同氣體都能發出特定的顏色,氣體本身的電性、帶電粒子的能量、不同的原子和分子依高度形成的分布狀況、帶電粒子愈深入大氣層所遭遇到的氣體密度,都是決定極光顏色的重要因素。


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帶電粒子擁有的能量能夠決定它們進入大氣層會有多深,也決定了會在哪個高度產生極光。而不同氣體的高度分布狀況則能讓我們知道帶電粒子大概會撞擊哪種氣體,也因此知道會發出哪種顏色的極光。靠近地表的大氣組成以78﹪的氮分子和21﹪的氧分子為主,其餘1﹪則為二氧化碳、氦、氫、甲烷、氬、氖、氙等其他氣體,直到1百公里左右的高度幾乎都是如此。在大氣層最高之大約5、6百公里以上的部分,氫和氦原子含量相對較高,但發出的極光譜線較弱。由此高度到約2百公里高度,氧原子的含量最高;1百至2百公里高度範圍內,氮分子佔大多數,其他則以氧原子和氧分子最多;由1百公里高度以下到極光產生最低高度的6、70公里之間,氧分子和氮分子佔絕對多數。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:54:56 | 顯示全部樓層
亦即呈原子或分子狀態之不同種類的氣體性質也極為重要,因為極光的顏色是由這些性質來決定的。大氣密度為極光顏色的重要決定因素是因為在高層大氣中,大氣密度相當低,產生極光的過程受到原子和分子間發生碰撞的影響比較小;而在較低處的空氣密度越濃密,原子和分子間的碰撞情形會大大影響極光產生的過程。


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氧原子能夠產生最常看到且是極光中最明亮的單一綠色譜線,其波長正位在人類眼睛最敏感的部分。位在不同高度的其他原子或分子也能產生不同的極光顏色,只是其譜線波長位在人類眼睛敏感度較弱的區域,例如介於1百至2百公里高空被離子化的氮分子會產生紫色或藍色極光,而位於80至1百公里的氮分子則會產生一種優美的粉紅色極光,但通常肉眼都無法有效感知這些顏色。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:56:32 | 顯示全部樓層
極光的形狀與變化


古人對極光的命名大都以其外形來稱呼,也由於它的變化太多而一直無法進行精準的系統化分類。就像雪花一樣,沒有兩個極光是完全相似的,可以說極光的顏色、形狀和運動情形變化無窮,尤其它們的形狀更是隨時在變。縱然研究人員長期以來即致力於極光的分類工作,卻始終未能獲致一個放諸四海皆準的系統,即使如此,極光呈現出來的形態仍有數種基本特徵可以用來描述其間的差異,也都為大多數科學家經常採用。


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基本上,通常看來似乎不動,有一條或多條細長而均勻的光帶,外形單純無明顯變化且稍微彎曲,底部具有平滑邊緣,可以延伸很長的範圍,就如圓圈中一段彎曲的部分,此種極光即稱為弧狀(arcs)極光。如果在極光底層出現有些不規則的紐結或彎曲的結構特徵,可稱之為帶狀(bands)極光。弧狀極光可以持續一、二個小時,有時也會在數分鐘內發展出相當明顯的褶曲而成為帶狀極光,甚至大大捲曲成一種螺旋狀(或稱波浪狀)極光。有些極光完全不具任何明顯特徵的外形,只是一片孤立且範圍小的發光區域,可稱之為片狀(patches)極光。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:57:43 | 顯示全部樓層
弧狀和帶狀極光通常是在夜晚稍早時分最先出現的極光,不具有較明顯的內部結構,不過進入半夜時分,極光的形狀與結構即會展現出顯著及多樣的變化,如果碰巧又發生極光活動的一種間歇性增強狀態--極光亞暴(auroral substorm),將使極光的強度和形狀出現明顯變化,在數分鐘至數十分鐘期間造成極光幾乎是爆發性的展現,亮度突然增強,也能夠發展出大規模的褶曲狀態,形成相當壯觀的景象。


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極光亞暴出現時,看似寂靜的弧狀極光會發展出許多長條狀的直立光柱,稱為射柱狀(rays)極光,它們即沿著地球磁場的方向排列在一起。通常涵蓋相當可觀天域的大片極光總稱為紗帳狀(veils)極光,而且由於觀看位置的不同,就呈現出不同的風貌。構成紗帳狀極光的射柱狀極光若以顯著的褶層圈繞出環狀結構,從遠處觀之就像窗簾一樣,可稱之為簾幕狀(curtains)極光,在其中可以看到明顯的射柱狀極光迅速移動。


當紗帳狀極光出現在頭頂正上方時又是另一種景象,一大群射柱狀極光似乎是從一個特定點向四面八方輻射出來,猶如在雨中開車看到雨點從前方的某一點傾瀉出來,也像觀賞流星雨時是從輻射點(radiant)射出一樣,可稱之為冠冕狀(coronas)極光,這其實是一種視覺上的透視效果,實際情況並非如此。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 22:58:57 | 顯示全部樓層
地球南北兩個磁極附近都會出現極光,在大多數情況裡,南極光和北極光都很相似,幾乎會在相同時間出現並以相同方式運動。法國科學家麥蘭(Jean Jacques d’Ortous de Mairan)在1733年出版第一本討論極光的教科書裡,就合理推測出這種所謂的共軛現象(conjugacy),認為南半球也可能出現極光,而且可能類似於那些在北半球看到的極光。庫克船長在1770年證實南半球也會出現極光,科學家在19世紀中葉也了解到南北半球出現的極光一般具有相似的行為。而從1967年到1971年,阿拉斯加大學費爾班克斯分校地球物理學研究所和洛沙拉摩斯科學實驗室(Los Alamos Scientific Laboratory)的研究人員執行了總共18次的雙機飛行觀測任務,證實南極光和北極光的確呈現出鏡像(mirror image)的效果。

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極光的運動情形同樣多變,可以持續一段長時間的穩定狀態,只出現一些漸進而不重複的變化,也可能週期性出現亮度增強或減弱的變化。快速運動出現時,可以從每秒十次左右的脈動到肉眼無法分辨的程度,亮度變化也會從只能藉由儀器偵測的極弱狀況到能夠投射出影子的強度。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 23:00:02 | 顯示全部樓層
作為極光發生源頭的太陽,因本身11年的太陽黑子循環週期所發生的任何變化,都會引起來到地球的帶電粒子流內部產生變化,進而影響極光呈現出來的狀態。太陽黑子是太陽活動狀態的表徵,與太陽表面的強烈活動區域所在的位置有關聯,這些強烈活動區域包含有日珥(prominence)和太陽閃焰等爆發現象,會發射出比平常增強許多的帶電粒子流。一般來說,太陽黑子會先出現在高緯度地區,接著再漸漸朝赤道方向移動,只有當太陽黑子接近赤道的極大期時,伴隨產生的太陽風會更濃密且速度更快,使得極光活動更強烈,極光出現的範圍也更廣泛。反之,在極小期期間,極光活動自然減弱而相對安靜許多。另外在極大期期間,大型太陽黑子對地球產生的磁暴現象可以持續一至數天,將使極光橢圓區的範圍擴展至較低緯度,甚至會出現少數罕見的大規模極光。


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太陽活動的強弱與否支配著極光展現出來的多樣風貌,若能事先預測太陽的活動狀況,自然對安排極光觀賞計畫有所助益。今天,世界各地有許多天文臺持續對太陽進行監測,在太陽表面發生的各種爆發現象使太陽風出現的增強效果,大致需要1至3天才抵達地球,觀測者因此有足夠時間預先安排觀測計畫。


有關極光的科學研究即使已超過1百年,對其產生的機制、發生地點,以及諸如形狀、顏色、運動狀態等特徵,都有相當完整的了解,不過仍有少數未解之謎需要更進一步蒐集證據來闡明,其中之一就是神密的極光聲音。數千年來,即使在今天,都還有人指出曾聽到過極光會發出數種不同的聲音,但大都被描述成有如微弱的咻咻聲,並且通常是冠冕狀極光在頭頂正上方快速移動期間被聽到的。研究人員對這些說法感到疑惑的理由是,在產生極光之距離地表上方1百公里高空的空氣太稀薄而無法傳遞聲音。縱使如此,人們還在繼續描述這些聲音,而針對極光聲音的產生與否進行的所有錄音嘗試迄今都未獲成功。
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 樓主| 發表於 2014-5-27 23:01:53 | 顯示全部樓層
觀賞極光的時機與地點


正值中壯年時期的太陽已經誕生約50億年了,會不斷放射出太陽風抵達地球,帶電粒子即一直進入地球極區上空的大氣層並產生極光。但是,太陽光太強烈了,白天根本看不到極光,就連晨曦與薄暮的微亮光芒都可能掩蓋住大部分極光,因此唯有在夜晚才有機會目睹極光炫麗多彩、形態多變的面貌。


極光的產生高度一般不會低於60公里的高空,任何雲層根本達不到那麼高的地方,如果它們太濃密且布滿整個天空,縱然出現大規模極光,恐怕只能仰天長嘆了。正因為如此,晴朗的星空就成為能否看得到極光的先決條件,它即順理成章地成為極光盡情表演的偌大舞臺背景了。

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並非整個晚上的時間裡都看得到極光,它的出現可以持續數分鐘至個把小時,最佳觀賞時間通常是午夜前後1、2個小時之內,以及清晨3、4點鐘左右。若要不錯過任何一個觀賞極光的機會,就應該隨時牢記一項重要原則,那就是不要輕易放棄任何時段,因為入夜之後到清晨之前的任何時間裡,極光都可能毫無預警地出現。
  
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 樓主| 發表於 2014-5-27 23:03:10 | 顯示全部樓層
有月亮的晚上,尤其是越接近滿月的日子,月光多少會掩蓋過極光的表現,儘量挑選沒有任何月光干擾的晚上觀賞極光總是比較妥當,試想在準備了照相機要拍攝時,如果極光出現在滿月的方向上,那多麼煞風景啊!滿月的強光勢必會使底片曝光過度而得不到滿意的結果。


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就季節來說,在北半球觀賞極光的最佳時間為8月底至隔年4月底,期間夜晚的長度較長,看得到的機率一定比夏季時分高,尤以9月的秋分和3月的春分前後一個月左右的時間是值得推薦的絕佳觀賞時間。


就像觀星一樣,選擇觀賞極光的適宜地點首重能盡量避免各類光害的影響。如果能再考慮周圍環境的視野開闊程度,比如未被山頭或林木阻擋太多,觀賞興緻自然不會打折扣,因為極光的規模若不夠大或位在較遠處,而觀賞地點的視野碰巧多少出現阻礙的話,只能歎運氣不佳了。
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