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

  • 海南自贸港岛内居民“零关税”政策落地满月

  • 德黑兰再遭猛烈空袭

独家策划

推荐阅读
多牵头国际大科学计划  牵头组织实施国际大科学计划,是中国推动世界科技创新、应对全球共同挑战的重要路径,也是深度参与全球科技创新治理、加快建设科技强国的战略举措。
2026-03-13 10:03
12日,十四届全国人大四次会议表决通过了《中华人民共和国生态环境法典》。非洲“绿色长城”毛里塔尼亚国家署官员艾莎·穆罕默德·布哈里·娜迪称赞说,生态环境法典体现了中国系统性应对生态和气候问题的“长期坚定承诺”。
2026-03-13 10:02
谈及国际深海矿产开发局势,孙黎表示,当前全球深海采矿虽处于试验阶段,但各国布局势头迅猛,竞争日趋激烈。潘越建议,司法应该向社会积极传递“损害必偿、犯罪必究”的清晰信号,为海洋经济高质量发展清淤护航。
2026-03-13 10:12
当春风拂过河套平原,“沉睡”一冬的黄河“醒了”。
2026-03-13 10:08
3月12日,十四届全国人大四次会议表决通过《中华人民共和国生态环境法典》。根据代表意见,法典中增加了关于鼓励和引导使用再生水、推进生活节水的规定,并对未经批准擅自取用地下水的违法行为提高罚款上限。
2026-03-13 10:04
助力人与自然和谐共生  “十五五”时期,推进长江经济带发展、黄河流域生态保护和高质量发展,是一项重要工作。
2026-03-13 10:03
光明日报北京3月12日电 记者张晓华12日从国家航天局获悉,天问三号火星取样返回任务通过前期的技术攻关和深化论证,相关关键技术均取得突破性成果,工程主线正在开展初样研制,计划今年转入正样研制阶段,各项工作进展顺利。
2026-03-13 10:02
电子的单向开关,奠定了现代信息社会的基石。“在单原子层厚的石墨烯上,刻出一个大小精确、形状不对称的孔,无异于在头发丝上雕巨型画作。
2026-03-13 10:01
“十五五”时期,香港要主动参与国家战略布局,将自身的国际化优势、专业服务优势与国家的发展需求精准对接,为实现更高水平的开放合作贡献香港力量。在科研方面,香港科研基础扎实,有实力承担国家重大科研任务;香港科学家对参与国家科技计划、推动国家科技创新怀有很高的热情和积极性。
2026-03-12 10:30
心脑血管疾病已成为威胁我国人民生命健康的“头号杀手”。与此同时,心脑血管疾病发病及致残、致死呈现出明显的年轻化趋势,疾病负担持续加重,对我国推进健康中国建设、实现全民健康目标构成了挑战。
2026-03-12 10:30
对此,应该充分发掘当地的生态价值和文化价值,探索因地制宜的保护路径,保留浓郁“农味”与“地方味”,让古老农耕智慧、生态智慧在当代生活中延续生机、展现活力。这样不仅有助于实现农文旅融合发展,还能给我们的子孙后代保留良好的生态环境和生态景观,接续传承好丰厚灿烂的生态文化。
2026-03-12 10:30
今年政府工作报告提出,深化拓展“人工智能+”,促进新一代智能终端和智能体加快推广,推动重点行业领域人工智能商业化规模化应用,培育智能原生新业态新模式。张壮代表说,在竞逐人工智能创新的赛道上,柳州加速布局。
2026-03-12 10:30
记者詹媛11日从中国科技馆了解到,我国的科普大篷车项目自2000年启动实施以来,以“科普轻骑兵”的方式活跃在祖国大江南北,将前沿科技动态、趣味互动展品、优质科教资源送到基层公众身边。
2026-03-12 10:30
“龙虾”智能体通过整合调用通信软件和大语言模型,在用户本地电脑自主执行文件管理、邮件收发、数据处理等复杂任务。”魏亮说,有关方面也会持续做好安全监测,如发现相关安全风险将及时预警,为用户安全使用提供必要的技术支持。
2026-03-11 09:36
作为人类的“第二大脑”,AI for Science正在全球范围内引发科研范式的深刻变革,也成为全国两会期间代表委员关注的话题。3月7日,在全国政协十四届四次会议第二次全体会议上,全国政协委员、中国科学院院士周志华发言建议,以人工智能引领科研范式变革。
2026-03-11 09:36
全国政协委员、中国科学院院士、南京大学副校长周志华在接受光明网记者采访。
2026-03-11 07:00
以医工交叉+成果转化为抓手,凭借硬核科创成果精准攻坚,同时高标准建设国家药监局监管科学创新基地,为产业发展提供标准与工具支撑。
2026-03-11 09:33
作者:余有成 张立华 吴 飞(分别系中国人工智能学会副秘书长;复旦大学智能机器人研究院常务副院长、特聘教授;我国的独特优势,在于探索出一条“软件定义算力、算法驱动效能、人工智能+赋能场景”的创新路径。
2026-03-11 09:32
具体而言,在种植与流通环节,中药农业面临良种普及率不高、生产种植分散、标准化程度偏低等现实问题。可制定国家统筹的野生资源抚育与替代技术攻关清单,利用大数据监测价格与供给波动,增强产业链供应链韧性。
2026-03-11 09:31
光明日报北京3月10日电 记者张晓华从中国航天科技集团获悉,目前中国探月工程四期正稳步推进,2026年将研制发射嫦娥七号探测器,首次奔赴月球南极,寻找水冰存在的证据。中国航天科技集团五院研究员孙泽洲表示,在行星探测方面,未来我国还将发射天问三号和天问四号。
2026-03-11 09:30
加载更多