“你生在太阳吹来的风中”,K歌谈极光

时间:2018-12-05

吴进远

极光是一种美丽迷人的自然现象,看到极光据说是人生四大梦想(另一个版本说是七大梦想)之一。同时,看极光也是许多高端旅游产品的卖点。不过,要想看到真的极光,必须了解极光是怎样产生的,极光有什么特点,如何与晨曦、晚霞或者月光相区分。

在这篇文章里,我们首先讨论极光产生的机制,然后与大家分享作者在一次坐飞机时拍摄到的极光照片,并且介绍拍摄的要点与经验。

作者利用这些照片制作了一个视频,并且将有关知识写成了一首歌。读者可以以此作为中小学科学课的教学素材,也可以当作业余文娱活动时合唱曲目(文后附有词曲),乃至作为广场舞的伴奏(不是开玩笑,作者确实在作品中设计了很酷炫的节奏变化)。

此外,作者希望这首歌成为一块引玉的板砖,期待见到其他科普作者创作出更多更好的科学普及歌曲。

01 极光的生成机制

关于极光产生的机制,有很多细节人们仍然不清楚,不过有一点已经得到确认,那就是极光的能量是由太阳风提供的。

太阳风是太阳向周围喷射的带电粒子,其中主要的成分是质子。我们平时看到的太阳好像是个温火慢烧的煤球,可是实际上太阳内部的能量转换过程非常剧烈。太阳活动会在太阳表面产生高达数万千米的炽热气流,将太阳的物质向外抛射,每秒能抛出800千克左右。

需要注意的是,不要将太阳风与太阳光混淆,太阳风的粒子也不是以光速飞出来的。太阳风的速度在200千米/秒至900千米/秒,飞到地球需要几天时间,而太阳光到达地球只需要8分钟。

太阳风的粒子到达地球附近后并不会直接砸下来,因为我们的地球有磁场。太阳风的带电粒子进入地球磁场后就受到洛伦兹力,开始拐弯。洛伦兹力总是与带电粒子的运动方向相垂直,因此并不会使它的能量损失,但能改变它的方向。在地球磁场的作用下,太阳风粒子大部分将绕过地球,而不是吹到地球上。

由于太阳风是带电粒子,如此大量的带电粒子运动将形成很大的电流,产生一个大尺度的磁场。这个磁场与地球自身的磁场叠加,使得地球周围空间总磁场的形状像一个快速游泳的水母——有一个扁球状的头,后面拖着一个长长的尾巴。

地球上的生物,从恐龙到人类,都应该感恩地球的磁场。如果没有磁场会怎么样呢?一个活生生(确切说:死翘翘)的例子就是我们的“邻居”——战神火星。有科学家认为,火星在约40亿年前失去了磁场,于是太阳风就把火星表面的气体分子吹走了。现在,火星表面大气压强约6百帕(hPa),而地球表面大气壓强约1000百帕。如果地球磁场没有了,我们周围的大气最终也会被太阳风吹走,变成像水果罐头瓶里那样的近似真空。

当然,大气丢失有一个过程,不至于我们哪天上着班或者睡着觉,周围就一下子变成了真空,我们就都原地爆炸了。不过,我不很清楚,在大气逐渐被太阳风吹走的这段时间里,有没有地面的生物来得及进化成为可以在低压中生存的物种,或者在地下水体中生存的生物,并且一直存活下去。前不久,科学家在火星冰盖下发现了冰下湖,相信人们在不久的将来,就能知道那里是不是存在生物了。

好了,我们不要再开脑洞想象不太会发生的灾难了。让我们回到现在,继续欣赏谈论美丽静好的极光。太阳风的带电粒子来到地球的外层高空,磁场施加在这些运动着的带电粒子上的洛伦兹力,使得它们拐弯,可以想象其中会有一部分在磁场中绕着圈地转。高空大气被电离以后,有的电子也可能从太阳风获得能量,在磁场中绕圈。这些带电粒子可能具有一定的向南或向北的初始速度分量,于是它们就会沿着像牵牛花藤一样的螺旋轨迹,向北极或南极运动。

在靠近两极的地方,地球的磁场比较强,因此,带电粒子运动轨迹的半径就会越来越小。这样一来,带电粒子运动的空间就狭窄了,相应密度就大了。地球磁场就像漏斗一样,让巨大外层空间中的带电粒子,集中到南北极的上空。

当然,大部分带电粒子并不会打到两极的地面上。因为两极附近的磁场是漏斗形的,带电粒子转圈时,受到的洛伦兹力有向上的分量。这个向上的分量使得粒子向下运动的速度逐渐变慢,最终向上飞回去。这种现象叫作磁镜效应。

存在于北极与南极上空的这些带电粒子,在运动中会与大气中的分子与原子碰撞,使之被激发,达到较高的能级。当被激发的原子回到基态时,释放出一定能量的光子,就形成了极光。根据原子激发态与基态之间能量差的不同,放出光子的能量也不同,而光子的能量与光的频率成正比,因此我们可以看到不同颜色的极光。

在极光的光谱当中,最主要的是558纳米的绿光,这是氧原子发出的。原子态的氧存在于高层大气,而在100千米高度以下含量急剧减少。因此,很多时候极光都有一个清晰的下部边界,像是一幅裁剪整齐的幕布。

02 极光拍摄的要点与经验

太阳风强弱的变化与地球的季节没有简单确切的关系,因此极光在任何季节都可能看到。大多数情况下,极光的亮度比较暗,要在天色全黑的情况下才能看到。在夏季,尤其是接近夏至期间,高纬度地区日照时间很长,夜间很短,在北极圈之内甚至会出现极昼,太阳24小时不落,这样就不可能看到极光。如果单考虑黑夜时长,固然冬季最佳,但是冬季去高纬度地区恐怕太冷了。因此,综合考虑起来,春秋季是比较折中的时段。

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