石头科普
极光:美丽外表下的“灾难”
发布时间:2020-12-01 来源:中国科学技术大学网络科普 浏览:73

“人面蛇身,赤色,身长千里,钟山之神也。” --《山海经》

幕帘轻摆,流光溢彩...想必这是极光带给大家的第一印象。

Robert Schwarz 摄于南极洲CMB 观测站

简单说,极光是一种绚丽多彩的等离子体现象,多发生在地球南北两极的高空。因其独特的外表,在古代被认为是奇异的天象而与凶吉祸福相联系,《山海经》中的“烛龙”可能就是人类对极光最早的描述。在人类对极光的观测历史中不乏溢美之词,可见人们对于这种神秘的天象的美是有共识的。

国际空间站视角下的南极光,可以看到极光发生位置与地表有一定距离。

问题来了

极光这么漂亮

有一个坏消息和一个好消息

坏消息是

中国几乎看不到极光!

即使在极光出现率最高的漠河,平均下来一年也不到一天能看到极光。因此极光虽美,并且也是欧美公众科学的一大主题,在国内却少有人关注。如此美景无法在国内欣赏到,实在是一大遗憾。

王博弋,2018年3月摄于美国阿拉斯加州

好消息是

中国几乎看不到极光!!!

因为极光虽美,在它五彩斑斓的外表下蕴藏的其实是无限杀机。

为什么这么说呢?这要从极光的起源讲起。

极光的产生机制

极光是由于空间中的高能粒子进入地球时轰击大气产生。高能的带电粒子使地球大气分子(原子)激发(电离),在受激的分子(原子、离子)恢复的过程中会释放可见光波段的电磁辐射,形成了我们所看到的极光。

常见的极光有两种颜色,分别是绿色(氧原子557nm谱线)与红色(氧原子630nm谱线)。绿色比红色高度更低(参见第一个视频),因为红光对应的氧原子激发态寿命要比绿光对应的长的多。大气密度随高度增加而降低,因此只有在足够高的高度上才有足够稀薄的大气,留给红光氧原子充足的时间恢复。

既然极光是由大量高能粒子进入地球大气产生的,这些高能粒子除了产生极光,还会带来什么呢?

极光产生的影响

1989年3月,地球迎来了太阳无情的洗礼。强烈的磁暴袭击了地球,产生的极光覆盖了小半个地球,肆意的电流造成了加拿大魁北克省长达9个小时的电力中断。经过这次事件,我们认识到空间天气对人类生产生活的影响不可忽视。极光的背后是高能粒子,大量的高能粒子注入地球不但造成空间中人造卫星的失灵,地面通讯、电力输运都会受到严重的干扰。

极光的地理分布

所以从这个角度,中国看不到极光是幸运的。尽管幅员辽阔,我们的国土离极光圈非常遥远。由于极光的产生与地球磁极息息相关,而地球自转轴(地理)与地磁轴并不重合,因此地理极区和极光区也并不完全重合,而是有一定的偏移。

下图是美国国家海洋大气局绘制的极光区随地磁活动的分布。从蓝色到红色表示地磁活动从弱到极强时极光区会延伸到何处。即使在红色时期(低于每年一天)极光区仍然不能覆盖到哪怕漠河,所以绝大多数时间中国都被地球磁场保护的很好。

NOAA maps:不同地磁活动下极光区边界

因此,当中国能看到极光的时候,人类已经到了危险的边缘(认真脸)。

据《栾城县志》记载:

“清官咸丰九年……,秋八月癸卯夜,赤气起于西北,亘于东北,平明始灭。”

其中“赤气”指的就是红色的极光。你可能不知道在栾城(河北)看到极光是什么概念,上图中的红线还要往下挪三次才能碰到河北!在这起百年不遇的事件中整个北极圈被极光照亮,人们甚至能在夜晚阅读报纸。

不过庆幸的是本次事件发生于1859年,当时电力设备还很少,造成的影响远不如20世纪之后的几次磁暴。据美国科学院估计,如果类似的事件在当下发生,造成的损失将超过两万亿美元。

太阳风暴及其后果

看完这些,是否对极光的美多了一分敬畏之心呢?

[1]百度百科_极光https://baike.baidu.com/item/%E6%9E%81%E5%85%89/33871

[2]美国国家海洋大气局空间天气预报中心https://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast

[3]Wikipedia_Aurora:https://en.wikipedia.org/wiki/Aurora#Colors_and_wavelengths_of_auroral_light

[4]YouTube_极光视频:https://www.youtube.com/watch?v=t57DPnH06V0

[5]腾讯网新闻_中国古籍填补1859年太阳风暴事件:https://new.qq.com/omn/20180218/20180218A05357.html



(责任编辑:杨玉露

(版权说明,转载自:石头科普公众号)