极光现象是如何产生的?为什么美国和加拿大是极光的多发地带?

Question

极光现象是如何产生的?为什么美国和加拿大是极光的多发地带?

Answer 1

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,犹如窗帘慢帐；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.