来源：中国科学报

作者：冯丽妃

　　提起绚丽多彩的极光，人们就会想到南北极。鲜为人知的是，在地球赤道上也有可能看到极光。

　　这种现象很多时候与地球磁场异常有关。人们都知道地球有南北两个对称的磁极，不过，地球上还有一些少为人知的地磁异常区——高于或低于同纬度地区磁场强度的正异常区或负异常区。赤道极光就与地磁负异常有关。

　　先别对飞往赤道看极光感到欣喜，地磁异常也是地球南北磁极倒转的一个潜在“先兆”。地磁倒转会削弱对地球系统的保护，甚至造成生物大灭绝。

　　南大西洋异常区（SAA）是今天地球唯一的负地磁异常区，能否通过历史上类似的异常区，增进人们对这一动力学过程的理解？在日前发表于美国《国家科学院院刊》的一项研究中，中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）魏勇研究员带领的团队与英国利兹大学的合作团队利用一把“新钥匙”——千年古籍中记录的赤道极光，首次展示了地球内部与空间的协同演变。

　　“不安分”的地磁场

　　在地球系统46亿年演化进程中，磁场的出现和演化，与其他因素共同作用塑造了今天生机勃勃的宜居地球。

　　“地磁场穿越厚达3000公里的地幔与地壳达到地表，并远远地延伸到太空中去。太空中的这一部分地磁场包裹的空间即‘磁层’，在靠近太阳的一侧能达到10个地球半径（地球半径为6371公里）那么远，而在远离太阳的一侧可能达到上千个地球半径。”论文第一作者、地质地球所研究员何飞向《中国科学报》解释。

　　他表示，由于带电粒子遇到磁场后运动方向会发生偏转，巨大的磁层把地球包裹于其中，对地球生物圈产生了双重保护作用：避免外来的高能带电粒子入侵；减少大气层中的带电粒子逃逸。

　　地球磁场可以分为四大部分：主磁场、地壳异常磁场（也称岩石圈磁场）、外源变化场和地球内部感应磁场。这些磁场组份的物理起源和时空分布特征各不相同。现今主磁场——偶极磁场占地球磁场的97%。

　　在众多地球主磁场起源假说中，今天科学家们更认同“地核发电机”假说——地心外核中处于熔融状态的金属铁的持续对流过程。“如果说磁流体对流过程能够产生或增强磁场；那么磁扩散过程则恰好相反，它使磁场趋于均匀分布，并总是趋于衰减。这两个过程决定了偶极磁场的变化。”该项研究方案的设计者兼共同通讯作者、地质地球所研究员魏勇解释说。

　　他表示，如果外地核某些区域的流动因地幔运动状态和热力学状态的改变出现异常，不足以补偿磁扩散引起的衰减，在长时间积累下，该区域就会表现出磁场强度明显低于其他区域，即负磁异常区。一旦磁层变小了，对该区域的保护作用也会随之变小。

　　“除了负地磁异常区，地球磁场也存在正磁异常区。”他说，目前地球磁场的三个正磁异常区分别位于北美洲北部、西伯利亚，以及南极大陆与大洋洲之间的海洋。

　　不止如此，他指出，“发电机”过程的剧烈变化还可能导致全球性磁场减弱，或是磁偶极子减弱、磁多极子增强，甚至发生南北磁极的倒转。

　　“当南北磁极调换，导致地磁保护层消失，宇宙辐射就会直接穿越到大气层里，其中就包括致命的射线。”魏勇说。此外，候鸟南飞北迁要依靠地磁场进行全球定位，人类的导航、卫星系统不少都是根据磁极判断方向。“一旦颠倒，天上飞的、地上爬的各种交通工具，就会‘碰碰车’，给人类带来巨大麻烦。”

　　古籍中的那束光

　　磁场的起源和长期演化一直是地球系统科学关注的重点和难点。赤道极光为破解这一难题照亮了一束光。

　　“事实上，极光（aurora）的本意是曙光，与南北极并没有任何关系。”魏勇解释说，现代科学之父伽利略在1619年率先使用了“aurora borealis”一词来称呼北极光，其后又有人使用“aurora australis”称呼南极光，久而久之， 它就具有了“极光”之义。天空中的大气发光现象种类繁多，但空间物理学家对极光现象有明确的界定：由太空中的带电粒子轰击大气粒子而产生。

　　“极光是高层大气中的一种特殊发光现象。从广义来讲，所有高能粒子与中性大气碰撞激发的光辐射都可称为极光。”何飞也表示，传统认为极光只发生在南北两极环绕磁轴的椭圆环带中（又称极光卵），这主要取决于偶极磁场在南北两极汇聚形成的特殊漏斗状结构。

　　偶尔在极端空间天气事件期间，极光卵会扩展到中低纬度。不过，他表示，正常情况下，在低纬度区域，高能粒子很难跨域磁力线穿透高层大气，因此极少会观测到极光现象。

　　“但在负地磁异常区内，磁场强度比同纬度的其他地区至少低一半，保护作用被减弱，导致更多的内辐射带高能带电粒子进入高层大气，并通过碰撞激发类似极光的发光现象。”何飞说，科学家已经在SAA异常区观测到了红色的极光。

　　在2020年发表于《国家科学评论》的一项研究中，中科院院士万卫星与魏勇、何飞等系统总结了以SAA为代表的负地磁异常区高能带电粒子沉降特征、粒子碰撞发光现象和历史观测研究现状，在上世纪六七十年代空间物理研究的基础上重新聚焦赤道极光研究。

　　由于现今地球只有一个负地磁异常区，科学家希望通过历史上发生的其他负地磁异常区增进对地磁演化过程的理解。利用古代航海数据建立的全球地磁模型，他们认为16-18世纪期间，西太平洋地区存在明显的负地磁异常，即西太平洋地磁异常区（WPA）。有趣的是，研究表明正如SAA位于非洲低剪切速度地幔异常体（LLVP）的西边缘，WPA在地理上位于太平洋LLVP的西边缘，这表明WPA也可能像SAA一样，是由地幔驱动的特征。

　　“除了从地球内部寻找WPA的证据外，大气异常现象提供了获取WPA演化线索的另一个路径。”魏勇说，在WPA的北方，古代中国、朝鲜和日本保存了大量的历史古籍，特别是在16-18世纪古朝鲜大量官方日记持续且详细地记载了天气、天象等信息。其中一种夜间大气发光现象——“有气如火光”被频繁记录。

　　对此，魏勇认为这正是由朝鲜半岛南方的负磁场异常引起的高能粒子沉降产生的赤道极光。他带领团队对朝鲜古籍进行了系统的整理，共发掘出公元1012-1811年800年间的2013条极光记录。

　　这些赤道极光与WPA存在怎样的联系？它能够告诉人们关于WPA的哪些演化特征？魏勇、何飞和地质地球所研究员朱日祥院士联合英国利兹大学教授菲利普·利弗莫尔（Philip Livermore）团队，开展了赤道极光和地球发电机模拟的交叉研究工作，揭示出WPA百年时间尺度的震荡特征。研究表明太平洋和朝鲜半岛下部的上升流可能是引起磁场震荡的关键：大约每100年发生一次，每一次之后都有下降流或其他机制来重新增强磁场。

　　多位审稿人认为对这项予以高度评价，认为研究结果首次清晰地展示了地球内部与空间的协同演变，为今后相关区域考古磁学工作提出了新方向，也为当今SAA区域研究提供了新思路。“作者利用古代朝鲜的历史极光记录，为地球发电机提供了一个令人兴奋的新视角。”一位审稿人说。

　　破译历史 预测未来

　　科学研究表明，近数十年来，SAA的磁场还在持续减弱，范围也在不断移动和扩大，磁暴期间越来越频繁地观测到赤道极光，一些地方甚至肉眼可见。

　　那么，地球是否可能发生磁极倒转的情况？“如果全球性的磁场减弱持续发展，则有可能迎来下一次地磁倒转。”何飞对本报说，“但这只是推测，因为历史上地磁倒转的发生并没有固定的规律，每次磁极倒转需要的时间也是几千年不等。地球历史上已知的地磁倒转发生间隔在几十万年到上百万年不等，上一次倒转发生在78万年前。

　　科学家已经通过“蛛丝马迹”发现地磁倒转和地磁异常带来的影响。例如，美国卡耐基研究所的科学家在分析远古岩石中的磁场极性时发现，在距今6.5亿到10亿年之间，地球出现了多个磁极，导致地球磁场出现混乱。而恰巧在这段时间中，地球出现了雪球事件、寒武纪灭绝事件等与生命有关的重大自然事件。他们推测，磁场的混乱可能是导致这些事件发生的原因。

　　近日，利物浦大学的研究人员对苏格兰东部古熔岩流的岩石样本进行热微波古地磁分析后发现，在4.16亿至3.32亿年前，这些岩石中保存下来的地磁场强度不到今天的1/4。而科学研究表明泥盆纪-石炭纪（4.19亿~2.86亿年前）的大规模灭绝与较高的紫外线（UV-B）辐射有关。作者表示这说明了弱磁场对地球生命的影响。

　　由此可见，破译过去地磁场强度的变化具有重要意义，它可以提供数亿年来地球深部过程的变化，进一步丰富和完善地球发电机过程，并为未来地磁可能如何波动或倒转提供线索。

　　“我们的这项工作只是初步的，未来应加强在我国南海、东南亚地区、孟加拉湾地区的考古磁学和古地磁研究，丰富和完善公元1800年之前的地磁记录，为构建准确的WPA演化模型提供基础数据，从而也为预测地球磁场的未来演变提供坚实的依据。”何飞说。

　　“中华文明源远流长，我国的正史和地方志中保存着丰富的自然现象记录，是研究人类周围各种环境变量长期变化的宝贵资料，甚至经常是唯一资料。朝鲜半岛、日本、越南等国家的正史大部分使用汉语写作，内容和体例也有一大部分承袭自我国，因此也保留了许多具有重要科学价值的资料。我国学者应当发挥自身文化优势，投入到这一研究领域中来。”魏勇说。

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1073/pnas.2026080118

　　https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa083

　　https://doi.org/10.1073/pnas.2017342118

极光现象是怎么回事?

极光在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。这种壮丽动人的景象就叫做极光。
极光多种多样，五彩缤纷，形状不一，绮丽无比，在自然界中还没有哪种现象能与之媲美。任何彩笔都很难绘出那在严寒的北极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。
极光有时出现时间极短，犹如节日的焰火在空中闪现一下就消失得无影无踪；有时却可以在苍穹之中辉映几个小时；有时像一条彩带，有时像一团火焰，有时像一张五光十色的巨大银幕；有的色彩纷纭，变幻无穷；有的仅呈银白色，犹如棉絮、白云，凝固不变；有的异常光亮、掩去星月的光辉；有的又十分清淡，恍若一束青丝；有的结构单一，状如一弯弧光，呈现淡绿、微红的色调；有的犹如彩绸或缎带抛向天空，上下飞舞、翻动；有的软如纱巾，随风飘动，呈现出紫色、深红的色彩；有时极光出现在地平线上，犹如晨光曙色；有时极光如山茶吐艳，一片火红；有时极光密聚一起，犹如窗帘幔帐；有时它又射出许多光束，宛如孔雀开屏，蝶翼飞舞。
极光是怎么产生的呢？
许多世纪以来，这一直是人们猜测和探索的天象之谜。从前，爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。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）。
随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。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。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。在南极地区形成的叫南极光。在北极地区形成的叫北极光。
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。每颗太阳质点含有等于1000伏特的电力。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极强的光，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。
目前，许多科学家正在对极光作深入的研究。人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。
极光不但美丽，而且在地球大气层中投下的能量，可以与全世界各国发电厂所产生电容量的总和相比。这种能量常常搅乱无线电和雷达的信号。极光所产生的强力电流，也可以集结在长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命。
极光 常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中的彩色发光现象。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。 极光是来自太阳活动区的带电高能粒子“可达1万电子伏”流使高层大气分子或原子激发或电离而产生的。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。 极光下边界的高度，离地面不到100公里，极大发光处的高度约110公里左右，正常的最高边界为300公里左右，在极端情况下可达1000公里以上。 根据近年来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，而是更像卵形。 极光的光谱线范围约为3100—6700埃，其中最重要的谱线是5577埃的氧原子绿线，称为极光绿线。 早在2000多年前，中国就开始观测极光，有着丰富的极光记录。
极光是划过南北两极地区上空的耀眼的光象。至今还没有人确切地知道极光发生的原因，但人们通常认为极光是来自太阳微小高能粒子在地球磁场受阻后偏向的结果。一说是太阳高能粒子在地球磁场作用下和地球外层大气中氧氮原子撞击产生的辉光。太阳每11年左右有一个非常活动期，发出大量高能粒子进入宇宙空间。此时出现的极光最为瑰丽壮观。
在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在罗里达州，一年平均只能见到4次左右。大多数极光出现在地球上空90—130千米处。但有些极光要高得多。1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。

木星上的极光
最近，南欧洲天文台发表了在二零零零年十一月拍摄到木星上极光的照片，和木星两极上空的烟雾，这是科学家第一次清楚拍摄到木星两极的情况。
木星(Jupiter)离地球(Earth)约六亿一千万公里，过去，科学家曾经利用太空总署(NASA)的哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)，拍摄到木星极光(aurora)的照片，不过，使用南欧洲天文台(European Southern Observatory)的红外线(infrared)望远镜，科学家可以更清楚地观察到木星极光和北极上空的烟雾(haze)。
科学家指出，极光是环绕木星的磁轴(magnetic axis)，而这些烟雾，是环绕著木星的旋转轴(rotation axis)，是在极光环之下；烟雾是受到木星上的地带风(zonal winds)影响，这些地带风是在同一纬度(latitude)上移动的；科学家相信，木星以十小时一次的迅速自转，也会影响两极上空烟雾的移动。
极光的传说
中国的传说
1.相传公元前两千多年的一天，夜来临了。随着夕阳西沉，夜已将它黑色的翅膀张开在神州大地上，把远山、近树、河流和土丘，以及所有的一切全都掩盖起来。一个名叫附宝②的年轻女子独自坐在旷野上，她眼眉下的一湾秋水闪耀着火一般的激情，显然是被这清幽的夜晚深深地吸引住了。夜空像无边无际的大海，显得广阔。安详而又神秘。天幕上，群星闪闪烁烁，静静地俯瞰着黑魆魆的地面，突然，在大熊星座③中，飘洒出一缕彩虹般的神奇光带，如烟似雾，摇曳不定，时动时静，像行云流水，最后化成一个硕大无比的光环，萦绕在北斗星的周围。其时，环的亮度急剧增强，宛如皓月悬挂当空，向大地泻下一片淡银色的光华，映亮了整个原野。四下里万物都清晰分明，形影可见，一切都成为活生生的了。附宝见此情景，心中不禁为之一动。由此便身怀六甲，生下了个儿子。这男孩就是黄帝轩辕氏。以上所述可能是世界上关于极光的最古老神话传说之一。
2.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，它的名字叫触龙。关于触龙有如下一段描述：“人面蛇身，赤色，身长千里，钟山之神也。”这里所指的触龙，实际上就是极光。
外国的传说
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。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。
补充参考资料——
极光是南北极地区特有的一种大气发光现象。极光在东西方的神话传说中都留下了美丽的身影，现代科学的发展，使人类能够用理性的眼光看待极光，对它作出科学的解释。
长期以来，极光的成因机理未能得到满意的解释。在相当长一段时间内，人们一直认为极光可能是由以下三种原因形成的。一种看法认为极光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火。另一种看法认为，极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光。还有一种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来，便成了极光。总之，众说纷纭，无一定论。直到20世纪60年代，将地面观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，才逐步形成了极光的物理性描述。
现在人们认识到，极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关，另一方面又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有关，这种粒子流通常称为太阳风。由此可见，形成极光必不可少的条件是大气、磁场和太阳风，缺一不可。具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星和水星，它们的周围，也会产生极光，这已被实际观察的事实所证明。
地磁场分布在地球周围，被太阳风包裹着，形成一个棒槌状的胶体，它的科学名称叫做磁层。为了更形象化，我们打这样一个比方。可以把磁层看成一个巨大无比的电视机显像管，它将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成束，聚焦到地磁的极区，极区大气就是显像管的荧光屏，极光则是电视屏幕上移动的图像。但是，这里的电视屏幕却不是 18英寸或 24英寸，而是直径为4000公里的极区高空大气。通常，地面上的观众，在某个地方只能见到画面的l／50。在电视显像管中，电子束击中电视屏幕，因为屏上涂有发光物质，会发射出光，显示成图像。同样，来自空间的电子束，打入极区高空大气层时，会激发大气中的分子和原子，导致发光，人们便见到了极光的图像显示。在电视显像管中，是一对电极和一个电磁铁作用于电子束，产生并形成一种活动的图像。在极光发生时，极光的显示和运动则是由于粒子束受到磁层中电场和磁场变化的调制造成的。
极光不仅是个光学现象，而且是个无线电现象，可以用雷达进行探测研究，它还会辐射出某些无线电波。有人还说，极光能发出各种各样的声音。极光不仅是科学研究的重要课题，它还直接影响到无线电通信，长电缆通信，以及长的管道和电力传送线等许多实用工程项目。极光还可以影响到气候，影响生物学过程。当然，极光也还有许许多多没有解开的谜。
极光被视为自然界中最漂亮的奇观之一。如果我们乘着宇宙飞船，越过地球的南北极上空，从遥远的太空向地球望去，会见到围绕地球磁极存在一个闪闪发亮的光环，这个环就叫做极光卵。由于它们向太阳的一边有点被压扁，而背太阳的一边却稍稍被拉伸，因而呈现出卵一样的形状。极光卵处在连续不断的变化之中，时明时暗，时而向赤道方向伸展，时而又向极点方向收缩。处在午夜部分的光环显得最宽最明亮。长期观测统计结果表明，极光最经常出现的地方是在南北磁纬度67度附近的两个环带状区域内，分别称作南极光区和北极光区。在极光区内差不多每天都会发生极光活动。在极光卵所包围的内部区域，通常叫做极盖区，在该区域内，极光出现的机会反而要比纬度较低的极光区来得少。在中低纬地区，尤其是近赤道区域，很少出现极光，但并不是说压根儿观测不到极光。1958年2月10日夜间的一次特大极光，在热带都能见到，而且显示出鲜艳的红色。这类极光往往与特大的太阳耀斑暴发和强烈的地磁暴有关。
在寒冷的极区，人们举目了望夜空，常常见到五光十色，千姿百态，各种各样形状的极光。毫不夸大地说，在世界上简直找不出两个一模一样的极光形体来，从科学研究的角度，人们将极光按其形态特征分成五种：一是底边整齐微微弯曲的圆弧状的极光孤；二是有弯扭折皱的飘带状的极光带；三是如云朵一般的片朵状的极光片；四是面纱一样均匀的帐幔状的极光幔；五是沿磁力线方向的射线状的极光芒。
极光形体的亮度变化也是很大的，从刚刚能看得见的银河星云般的亮度，一直亮到满月时的月亮亮度。在强极光出现时，地面上物体的轮廓都能被照见，甚至会照出物体的影子来。最为动人的当然是极光运动所造成的瞬息万变的奇妙景象。我们形容事物变得快时常说：“眼睛一眨，老母鸡变鸭。”极光可真是这样，翻手为云，覆手为雨，变化莫测，而这一切又往往发生在几秒钟或数分钟之内。极光的运动变化，是自然界这个魔术大师，以天空为舞台上演的一出光的活剧，上下纵横成百上千公里，甚至还存在近万公里长的极光带。这种宏伟壮观的自然景象，好像沾了一点仙气似的，颇具神秘色彩。令人叹为观止的则是极光的色彩，早已不能用五颜六色去描绘。说到底，其本色不外乎是红、绿、紫、蓝、白、黄，可是大自然这一超级画家用出神入化的手法，将深浅浓淡、隐显明暗一搭配、一组合，好家伙，一下子变成了万花筒啦。根据不完全的统计，目前能分辨清楚的极光色调已达一百六十余种。
极光这般多姿多彩，如此变化万千，又是在这样辽阔无垠的穹窿中、漆黑寂静的寒夜里和荒无人烟的极区，此情此景，此时此刻，面对五彩缤纷的极光图形，亲爱的读者，你说能不令人心醉，不叫人神往吗？无怪乎在许许多多的极区探险者和旅行家的笔记中，描写极光时往往显得语竭词穷，只好说些“无法以言语形容”，“再也找不出合适的词句加以描绘”之类的话作为遁辞。是的，普通的美丽、壮观、奇妙等字眼在极光面前均显得异常的苍白无力，可以说，即使有生花妙笔也难述说极光的神采、气势、秉性脾气于万一。

地磁与极光有何关系？

相传公元前2000多年的一天，夜晚来临了。随着夕阳西沉，夜晚已将它黑色的翅膀张开在神州大地上，把远山、近树、河流和土丘以及所有的一切全都掩盖起来。一个名叫附宝的年轻女子独自坐在旷野上，她眼眉下的一湾秋水闪耀着火一般的激情，显然是被这清幽的夜晚深深地吸引住了。夜空像无边无际的大海，显得广阔、安详而又神秘。天幕上，群星闪闪烁烁，静静地俯瞰着黑魆魆的地面，突然，在大熊星座中，飘洒出一缕彩虹般的神奇光带，如烟似雾，摇曳不定，时动时静，像行云流水，最后化成一个硕大无比的光环，萦绕在北斗星的周围。其时，光环的亮度急剧增强，宛如皓月悬挂当空，向大地泻下一片淡银色的光华，映亮了整个原野。四下里万物都清晰分明，形影可见，一切都成为活生生的了。附宝见此情景，心中不禁为之一动。由此便身怀六甲，生下了个儿子。这男孩就是黄帝轩辕氏。以上所述可能是世界上关于极光的最古老神话传说之一。

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，它的名字叫触龙。关于触龙有如下一段描述：“人面蛇身，赤色，身长千里，钟山之神也。”这里所指的触龙，实际上就是极光。

极光，是自然界里一种极为绚丽壮观的景象。一位到南极考察过的科学家写道：“在那漫长、寒冷的极夜里，天空中会映现出瑰丽的自然美景。由黄色、红色、紫色、灰色等许多颜色编织起来的，长达数百千米的发光帷幔，由高空垂天而下，悬挂在深蓝色的天幕上。它们时而静止，时而闪动，组成了一幅幅五色斑斓、光怪陆离的图画。”

长期以来，极光的成因机理未能得到满意的解释。在相当长一段时间内，人们一直认为极光可能是由以下3种原因形成的：①极光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火。②极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光。③极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来，便成了极光。总之，众说纷纭，无一定论。直到20世纪60年代，将地面观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，才逐步形成了极光的物理性描述。

现在人们认识到，极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关，另一方面又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有关，这种粒子流通常称为太阳风。由此可见，形成极光必不可少的条件是大气、磁场和太阳风，缺一不可。具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星和水星，它们的周围，也会产生极光，这已被实际观察的事实所证明。

地磁场分布在地球周围，被太阳风包裹着，形成一个棒槌状的胶体，它的科学名称叫做磁层。为了更形象化，我们打这样一个比方。可以把磁层看成一个巨大无比的电视机显像管，它将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成束，聚焦到地磁的极区。极区大气就是显像管的荧光屏，极光则是电视屏幕上移动的图像。但是，这里的电视屏幕却不是 18英寸或 24英寸，而是直径为4000千米的极区高空大气。通常，地面上的观众，在某个地方只能见到画面的1/50。在电视显像管中，电子束击中电视屏幕，因为屏上涂有发光物质，会发射出光，显示成图像。同样，来自空间的电子束，打入极区高空大气层时，会激发大气中的分子和原子，导致发光，人们便见到了极光的图像显示。在电视显像管中，是1对电极和1个电磁铁作用于电子束，产生并形成一种活动的图像。在极光发生时，极光的显示和运动则是由于粒子束受到磁层中电场和磁场变化的调制造成的。

极光不仅是光学现象，而且是无线电现象，可以用雷达进行探测研究，它还会辐射出某些无线电波。有人还说，极光能发出各种各样的声音。极光不仅是科学研究的重要课题，它还直接影响到无线电通信、长电缆通信，以及长的管道和电力传送线等许多实用工程项目。极光还可以影响到气候，影响生物学过程。

人们知道极光至少已有2000年了，因此极光一直是许多神话的主题。在中世纪早期，不少人相信，极光是骑马奔驰越过天空的勇士。在北极地区，因纽特人认为，极光是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的。随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所认知。原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。

产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子。这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带。例如，在美国，南到北纬40°处还曾见过北极光。极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。造成极光动态变化的机制尚未完全明了。 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”。这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原极光子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约400千米/秒的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极，从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应，形成极光。在南极地区形成的叫南极光；在北极地区同样可看到这一现象，一般称之为北极光。

大多数极光出现在地球上空90～130千米处。但有些极光要高得多。1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在美国的佛罗里达州，一年平均只能见到4次左右。我国最北端的漠河，也是观看极光的好地方。

18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地面上罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。与此同时，伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。原来，极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，当它吹到地球上空，会受到地球磁场的作用。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。高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的颜色不一样。例如氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩激后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。

科学家已经了解到，地球磁场并不是对称的。在太阳风的吹动下，它已经变成某种“流线型”。就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的，形似彗尾的地球磁尾。磁尾的长度至少有1000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的偶合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具“冻结”磁力线特性，所以，太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时（如耀斑爆发），常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动，从极区向地球注入。这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发——退激而发光。不同的分子、原子发生不同颜色的光，这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源、粒子种类、能量大小、地球磁尾的结构、地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。

极光的形成与太阳活动息息相关。逢到太阳活动极大年，可以看到比平常年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也能有幸看到极光。2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现了极光景象。在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。虽然这是一件难得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在许多地区还造成了恐慌。据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说，当夜德国莱茵地区以北的警察局和天文观象台的电话不断，有的人甚至怀疑又发生毒气泄漏事件。这次极光现象被远在160千米高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现，并发出了预告。在北京时间4月7日凌晨零时30分，宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠过，而且该太阳风突然加速，速度从375千米/秒提高到600千米/秒。1小时后，这股太阳风到达地球大气层外缘，为我们显示了难得一见的造化神工。