地球極光是太陽風與磁層相互作用的結果，根據粒子能量創造出色彩鮮豔的光景，11 年的太陽活動週期影響極光的頻率。數千年來，人們一直被夜空中舞動的迷人光影所吸引。 今天，我們把這些光稱為極光：北半球的北極光和南半球的南極光。

極光由太陽風和地球磁層產生，顏色代表大氣粒子的能量水平。 太陽活動週期對這些光的強度和頻率起著至關重要的作用。

我們現在知道，極光是地球磁層和太陽風中的帶電粒子與高層大氣中的粒子碰撞時產生的。 這些碰撞激發了大氣中的粒子，當它們恢復到正常的、未被激發的狀態時，就會釋放出光。

來自太空的極光

極光的顏色取決於大氣粒子在碰撞過程中吸收了多少能量。 每種顏色都代表了特定的能量釋放量。

極光受太陽活動的影響，太陽活動週期為11 年。 我們剛到達太陽週期25 的太陽活動最大值，這可能會導致更頻繁、更強烈的極光現象。

長期以來，北美、歐洲、亞洲和澳洲各地的人們都記錄了這種現象。

《狐火》是一部短片，靈感來自芬蘭民間故事中的極光。

17 世紀，關於極光成因的科學解釋開始浮現。 可能的解釋包括地球大氣層中的空氣從地球陰影中升起，變成太陽光（伽利略，1619 年），以及高空冰晶的光反射（笛卡爾和其他人）。

1716 年，英國天文學家埃德蒙-哈雷（Edmund Halley）首先提出了與地球磁場可能的關聯。 1731 年，一位名叫Jean-Jacques d’Ortous de Mairan 的法國哲學家注意到太陽黑子的數量與極光之間的巧合。 他提出極光與太陽大氣層有關。

正是在這裡，太陽活動與地球極光之間的聯繫被聯繫起來，從而產生了現在被稱為”太陽物理學”和”太空天氣”的科學領域。

極光最常見的來源是在地球磁層（地球的天然磁場所佔據的空間區域）內飛行的粒子。地球磁層的圖像通常顯示磁場”氣泡”如何保護地球免受空間輻射，並排斥太陽風中的大多數幹擾。 然而，通常沒有突出顯示的是，地球磁場本身包含大量帶電粒子（或”等離子體”）。

磁層由從地球高層大氣中逸出的帶電粒子和從太陽風進入的帶電粒子組成。 這兩種粒子都被困在地球磁場中。

帶電粒子的運動受電場和磁場控制。 帶電粒子繞著磁場線旋轉，因此從大尺度來看，磁場線就像是等離子體中帶電粒子的”管道”。

地球磁場類似於標準的”偶極”磁場，磁場線在兩極附近聚集在一起。 這種磁場線的聚集實際上改變了粒子的軌跡，有效地使粒子掉轉方向，原路返回，這個過程被稱為”磁鏡像”。

在安靜和穩定的條件下，磁層中的大多數粒子都會被困住，在太空中的南磁極和北磁極之間愉快地跳動。 然而，如果太陽風中的擾動（例如日冕物質拋射）給磁層來了個”重擊”，磁層就會受到干擾。

被困粒子被加速，磁場”管道”突然改變。 原本在南北之間歡快跳動的粒子，現在跳動的位置被移到了低空，那裡的地球大氣變得更加稠密。

因此，當帶電粒子到達兩極地區時，很可能會與大氣中的粒子發生碰撞。 這就是所謂的”粒子沉澱”。 然後，當每次碰撞發生時，能量就會轉移到大氣粒子上，使它們興奮起來。 一旦它們放鬆下來，就會發出光線，形成我們看到的美麗極光。

令人驚嘆的極光在天空中飛舞，這是太陽風和磁層之間複雜相互作用的結果。

極光出現、消失、變亮以及形成幕布、漩渦、籬笆和行波等結構，都是地球磁層與太陽風相互作用時無形的、不斷變化的動態的直觀表現。

正如這些影片所示，極光有各種各樣的顏色。

最常見的是綠色和紅色，它們都是由高層大氣中的氧氣發出的。 綠色極光出現在接近100 公里的高空，而紅色極光出現在200 公里以上的高空。

藍色是由氮氣發出的，氮氣也會發出一些紅色。 由於這些發射物的混合作用，也可能產生一系列粉紅色、紫色甚至白色的光。

照片中的極光更加絢麗，這是因為相機感光元件比人眼更靈敏。 具體來說，我們的眼睛在夜間對顏色的敏感度較低。 不過，如果極光夠明亮，肉眼也能看到。

即使在安靜的空間天氣條件下，極光在高緯度地區也會非常明顯，例如在阿拉斯加、加拿大、斯堪的納維亞和南極洲。 當空間天氣擾動發生時，極光會遷移到更低的緯度，在美國大陸、歐洲中部，甚至澳洲南部和澳洲大陸都能看到極光。

空間天氣事件的嚴重程度通常控制極光可見地點的範圍。 最強烈的事件是最罕見的。因此，如果您對捕捉極光感興趣，請留意當地的空間天氣預報（美國、澳洲、英國、南非和歐洲）。 社群媒體上還有許多空間天氣專家，甚至還有捕捉極光的公民科學課程（如Aurorasaurus），您可以為這些專案做出貢獻！

澳洲中部難得一見的極光，前景為烏魯魯。

讓我們走出戶外，親眼目睹大自然真正的自然美景之一–極光。

作者：Brett Carter，皇家墨爾本理工大學副教授

皇家墨爾本理工大學副教授Brett Carter

麥克唐納（Elizabeth A. MacDonald），美國國家航空暨太空總署（NASA）太空物理學家。

改編自原刊於The Conversation .的文章。