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世上最美的物理课堂,在极光之下

日期:2019-08-13

极光,是世上最美的天象奇观之一,若垂天之丝绸,如流动的油彩。极光长期以来为人称颂,引发无数幻想。俄罗斯摩尔曼斯克、挪威斯瓦尔巴群岛、芬兰拉普兰地区等,亦因极光而闻名并成为著名的追光胜地。



1865年,美国油画家弗雷德里克·埃德温·丘奇Frederic Edwin Church)作品《极光》



    极光,其实还是一堂天赐的物理课。极光现象中就涉及了不少的物理知识。每年的11月至2月,在北极圈地区,当人们观测到了漆黑的天幕中闪动着色彩变幻的光彩,就从没停止过对光彩成因的追问。这些追问,是打开知识殿堂的重要钥匙。


光学课·极光为何多彩


常见的极光,有绿色、红色、黄色、紫色等多层次的色彩。我们一般能看见的自然光,却并没有五颜六色,为何极光如此不同呢?

这要从我们的眼睛为何能看见光的色彩说起。事实上,光,就是电磁波谱,在一定的区间里的电磁波谱有着人眼也可以感知的特性,就叫做可见光。不同波长的可见光分紫、蓝、青、绿、黄、橙、红七色。理论上,可见的极光的颜色也不可能超出这七种的范围。

古代北欧人曾幻想,北极光是天上女神们驱马在夜空中奔驰时铠甲闪耀的光芒。但实际上,极光的出现并不是因为空气中出现了什么“异物”。极光的“染色剂”,其实都是来自于大气层。

大气中普遍存在的氧气、氮气、氢气,在地球大气上空80~110 千米的高度,还存在着一些由金属原子、离子所组成的层段,包括钠层、钾层、铁层、钙原子层和钙离子层等。一般情况下,它们并不活跃,但当有外来刺激物出现,氮、氢、氧及金属元素变得活跃,以离子、原子的形态开始游离、结合,这个过程中就会散发出能量,形成不同波长,从而成为释放出不同颜色的光。





绿色与红色的极光


   例如,钠离子与气体离子结合,多产生黄光;氧原子与氢原子结合,多产生红光;游离状态的氮氧化物可能产生蓝光;氮分子也可能放出紫光等等。



                                                     电学课·为何光在两极

极光为何多在接近南北极的地方出现呢?其实是因为地球的南北极能聚集带电粒子。

极光出现的条件中有一条,就是空气中的元素要被激活成离子、原子等状态。将它们激活的,其实是被太阳抛出来的带电粒子。

这些带电粒子路过地球,地球就像一块巨大的磁石,把这些粒子中一部分留在高层大气中,又将带着正负电荷的带电粒子集中吸引到南北两极。

这些粒子带来了庞大的能量,它们撞击着本来稳定的气体原子、分子,让它们不断游离、释放能量,产生极光,直到这些气体的能量消耗完回到稳定状态,极光也就消失了。


                     


月亮与极光


天体学·激发极光的能量从何而来


继续细究,我们还会提出一个疑问:太阳为什么会抛出带电粒子?

太阳表面,有一些低温区域,是因伴随着强磁场形成而出现的,被称为太阳黑子。两个太阳黑子之间,会产生强力的电磁活动,形成庞大的能量,像风暴一样爆发,便是太阳风。

太阳风中,带电粒子以200~800千米/秒的速度运动,连太阳的引力都留不住它们了,最终这些带电粒子从太阳上层大气射出,像是一股被太阳抛出太空的多余能量。

它们不仅到了地球,还会到达木星、水星等星体,只要这些天体上存在大气,便有可能形成极光。


     


2017年NASA在国际空间站拍摄到的极光