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每天了解一种自然现象-“魔影女神”极光

极光,是一种绚丽多彩的发光现象,其发生是由于太阳带电粒子流(太阳风)进入地球磁场,在地球南北两极附近地区的高空,夜间出现的灿烂美丽的光辉。

每天了解一种自然现象-“魔影女神”极光

在南极被称为南极光,在北极被称为北极光。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。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。极光产生的条件有三个:大气、磁场、高能带电粒子。这三者缺一不可。

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一:极光的基本形态

根据关于极光分布情况的研究,极光区的形状不是以地磁极为中心的圆环状,而是卵形。大多数极光出现于地球上空90-130千米处。1959年,一次北极光所测得的高度是160千米,宽度超过4800千米。但有些极光要高得多,高度可达560-1000千米以上。

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二:极光的分布区域

由于地磁场的作用, 这些高能粒子转向极区,所以极光常见于高磁纬地区。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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三:极光的基本分类

按照极光的形态分类,可分为匀光弧极光、射线式光柱极光、射线式光弧光带极光、帘幕状极光、极光冕等。

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极光冕

按照极光观测的电磁波波段,可分为光学极光、无线电极光等。

按激光激发粒子类型,可分为电子极光、质子极光等。

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帘幕状极光

按照极光发生区域,可分为极盖极光、极光带极光 、中纬极光红弧等。

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极光红弧

四:极光的形成原因

在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中,有一种能量被称为“太阳风”。太阳风是太阳喷射出的带电粒子,是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流,因而属于等离子态。

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太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场。地球磁场形如漏斗,尖端对着地球的南北两个磁极,因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降,进入地球的两极地区。两极的高层大气,受到太阳风的轰击后会发出光芒,形成极光。

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经常出现的地方是在南北纬度67度附近的两个环带状区域内,阿拉斯加的费尔班一年之中有超过200天的极光现象,因此被称为“北极光首都”。所以极光只能在地球的南北极被看见。

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五:关于极光的一些早期观点

13世纪时,人们则认为那是格陵兰冰原反射的光。到了17世纪,人们才称它为北极光——北极曙光(在南极所见到的同样的光称为南极光)。

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在过去,有些理论被用来解释这种现象,但都已经过时了:

1.本杰明·佛兰克林(Benjamin Franklin)的理论:神奇的北极光是浓稠的带电粒子和极区强烈的雪和其他的湿气作用造成的;

2.极光的电子来自太阳发射的光束。这是克利斯蒂安柏克兰在1900年提出的说法,她在实验室用真空室和磁化的地球模型,显示电子是如何被引导至极区。这个模型的问题包括本身缺乏在极区的极光、负电荷本身自行散射这些光束、而且仍然缺乏任何太空中的观测证据;

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3.破水桶理论:极光是溢流出的辐射带,这是詹姆斯·范艾伦和工作伙伴大约在1962年首先提出的。他们指出在辐射带内获得的巨大能量很快就会在极光的漫射中耗尽。不久之后,很明显地,陷在辐射带内的都是高能的带正电离子,而在极光内几乎都是能量较低的电子;

4. 极光是太阳风中的粒子被地球的场线引导至大气层顶端造成的。这适用于极光的尖点,但在尖点之外,太阳风没有直接的作用。

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1890年,挪威物理学家柏克兰认为,离地球1.5亿千米的太阳几乎连续不断地向地球放射物质点而离地球5万千米至6.5万千米以外有一层磁场将地球罩住。当太阳的质点直射这层磁场而被挡住时,它便向地球四周扩散,寻找钻入的空隙,结果约有1%的质点钻入北磁极附近的大气层。它们在100千米外的高空大气层中与原子和多半由氧和氮构成的分子相遇,原子吸收了太阳质点所含的一部分能量时,立即又将这能量释放出来而产生的强光,氧发出绿色和红色的光,氮则发出紫、蓝和一些深红色的光。这些缤纷的色彩组成了绮丽壮观的极光景象。

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科学家早就怀疑,北极光的能源来自带电粒子与北极磁场接触产生的扭曲磁场,但这个理论一直到2010年5月才获得证实。当时瑟密斯任务的卫星群从地球上空6万多公里首度测到扭曲磁场的结构。

六:极光中的神秘声音

北极光非常绚烂美丽,而伴随北极光发生的,是一种很神秘的声音。一直以来,有关这种神秘的北极光声音流传着许多的传说,也让在荒野的人们感到恐惧和敬畏。北极光发出的这种含混不清的爆裂声的来源,终于首次在科学上得到了合理的解释。

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芬兰阿尔托大学的科学家们发现了北极光神秘声音的来源,这种声音产生于距地面70米的空中。与此相比,由地球磁场干扰而产生的绚烂而变幻莫测的北极光,则是产生于距离地面120千米的高空。

为了找到声音的来源,科学家们利用了三个互相独立的麦克风,在观测点记录下了北极光的声音。接着,科学家们对这些声音进行对比分析,从而最终确定了北极光声音的来源。当北极光在观测点出现的同时,芬兰气象研究所也同步测量到了伴随北极光产生了地磁干扰。

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阿尔托大学的莱恩教授表示,“我们研究发现,在北极光出现期间,人们可以听见一种伴随极光自然产生的声音。过去,我们认为极光离我们太远,不可能会听到极光发出的声音,这种推断没有错,但事实是,极光是由太阳产生的能量粒子干扰地球磁场而产生的,它们在很远的天边,伴随极光的声音也是由类似原因而产生,只不过产生这种声音的地方离地面更近。”

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有关北极光神秘声音产生的具体原因仍然是一个迷,这种声音并不是每次都会伴随极光而来。从被记录下来的声音来看,这种声音听起来像是一种含混不清的爆裂声,并往往只持续一小段时间。另外一些听到过极光声音的人把这种声音描述为一种噼啪声,并且感觉声音的距离很远。通过这些不同的描述,科学家们推测北极光声音产生的背后可能有着若干不同的原理。

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七:太阳系其他行星

木星和土星这两颗行星都有比地球更强的磁场,而且两者也都有强大的辐射带。哈勃太空望远镜也很清楚的看见这两颗行星的极光。

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木星极光

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土星极光

木星观测者知道这颗巨大行星经常出现极光,比地球极光明亮数千倍,并且覆盖范围是地球面积数倍,通常他们认为木星极光是太阳带电粒子与木星磁场发生碰撞所产生的,也可能是由于木星和它的卫星单独交互作用所致。但是这些极光耀眼明亮周期类似于地球极光,没有人能够明确跟踪分析究竟是哪一种原因导致的。木星和木卫一交互作用产生的极光现象,木卫一表面火山释放带电离子和电子云,进入木星周边弥漫强磁场的区域,这里的磁场是地球磁场强度的数千倍。

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在金星和火星上也曾观测到极光。因为金星没有内在(行星本身)的磁场,金星的极光呈现不同的形状和强度,看起来是明亮但弥漫的补丁,有时会分布在整个行星的盘面。金星的极光源自太阳风的粒子撞击和陷入在夜晚侧的大气层。

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火星极光

八:相关神话传说

1:中国

在我国的古书《山海经》中也有极光的记载。书中谈到北方有个神仙,形貌如一条红色的蛇,在夜空中闪闪发光,它的名字叫烛龙。关于烛龙《大荒北经》有如下一段描述:“西北海之外,赤水之北,有章尾山。有神,人面蛇身而赤,直目正乘,其瞑乃晦,其视乃明。不食不寝不息,风雨是竭。是烛九阴,是谓烛龙。”这里所指的烛龙,实际上很有可能就是极光。

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2:外国

极光这一术语来源于拉丁文伊欧斯一词。传说伊欧斯是希腊神话中“黎明”(其实,指的是晨曦和朝霞)的化身,是希腊神泰坦的女儿,是太阳神和月亮女神的妹妹,她又是北风等多种风和黄昏星等多颗星的母亲。极光还曾被说成是猎户星座的妻子。

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在艺术作品中,伊欧斯被说成是一个年轻的女人,她不是手挽个年轻的小伙子快步如飞地赶路,便是乘着飞马驾挽的四轮车,从海中腾空而起;有时她还被描绘成这样一个女神,手持大水罐,伸展双翅,向世上施舍朝露,如同我国佛教故事中的观音菩萨,普洒甘露到人间。

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爱斯基摩人认为极光是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬,原住民则视极光为神灵现身,深信快速移动的极光会发出神灵在空中踏步的声音,将取走人的灵魂,留下厄运。

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