天地画卷——极光（下）

　　文/ 于鹏翔　图/ 小　七　刘擦擦

　　天地合作的画卷

　　极光到底是如何产生的呢？先让我们将视角转向地球的内部。我们脚下是地壳，再往下是地幔——这些区域都是坚硬的岩石。我们继续向下，在距离地面约2900~5100 千米的地方，一切都变得不一样了。这里是地球的外地核，组成这部分的主要物质是熔化的铁、镍等金属元素。从外地核再向内，地球的内地核里同样充满了铁和镍，只是难以想象的巨大压力让这些金属再次变成了固态。也就是说，我们的地球拥有一颗“钢铁之心”！

　　地球自转，其实地核也在不停地旋转。根据现有科学理论，内外地核中存在大量金属离子和自由电子，由于外地核为液态、内地核为固态，地球自转过程中内外地核的转速不同，从而产生了定向的电流。根据电流磁效应的原理——任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场，地球就产生了磁场。

　　磁场并不能被看到，但它对我们的影响却不小。指南针是我们对地球磁场的应用。很多动物都会感受到磁场，并利用磁场导航。例如鸽子等鸟类万里归巢就是利用了磁场。

　　如果地球磁场能被看见，它就像一个两端向内凹的无数层的洋葱。这和极光有什么关系呢？别着急，现在我们再抬头看向天空，一颗耀眼的太阳正悬挂在天边。这颗距离我们1.5 亿千米远的恒星通过剧烈的核聚变给我们提供了光和热，滋养着地球上的万物。但是太阳产生的可不仅仅是光和热，还有大量的带电粒子，这些带电粒子以200~800 千米/ 秒的高速冲向宇宙空间。这些被太阳抛向宇宙的物质被称为太阳风。在太阳辐射中，太阳风所占据的能量很小很小，但它几十亿年来从未间断地吹拂着整个太阳系，就成了描绘极光的“画笔”。

　　我们再来欣赏一下这幅天地巨画的创作过程：这些带电粒子飞行了上亿千米来到地球，并以大约400 千米/ 秒的速度撞击地球磁场，巨大的能量甚至会改变地球磁场的形态，而靠近南北极的带电粒子会在地球南北极漏斗形的磁场引导下旋转着向地球沉降。在地球磁场与太阳风不断对抗的过程中，这些在南北极沉降向大气的高能粒子与大气中的粒子碰撞激发出新的光芒与色彩，这就是极光。从地球外观察，极光像一个皇冠呈圆环带状分布在地球的南北极上空。这就是为什么极地高纬度地区是最常见到极光的地方。

　　在不同的高度，极光呈现出的颜色也不一样。首先，处在地球上空200~400 千米高度的氧原子与这些带电粒子相遇的时候，会吸收这些天外来客的能量，而吸收不掉的那部分就会被快速释放出来，形成红色的光芒。由于这部分极光产生的高度很高，因此更容易被距离更远的中纬度地区的人们看到——也就是说，在我国境内见到的多是这样的红色极光。之后，这些带电粒子降到200 千米以下的高度，更频繁的碰撞让氧原子释放出绿色的光芒，这也是我们在各种视频和照片中最常见到的极光颜色。这些带电粒子继续向下，在100 千米左右高度与氮分子相遇，就会产生蓝紫色的极光。

　　大气中的粒子分布不均匀，太阳风也时强时弱，加之这些带电粒子在沉降的过程中形态也在发生改变，这就让极光的形态千姿百态，还拥有明暗的变化和颜色的混合，显得如梦如幻。

　　现在你明白了吧？极光产生的全过程可以这样来描绘：太阳喷射出的高速带电粒子就像是一支笔，在磁场的引导下，以大气为纸，以大气粒子被激发形成的各色光为颜料，绘制出天地壮阔的极光画卷。

　　极光现象不是地球独有的哟！强大的磁场、浓重的大气甚至是太阳风猛烈的冲击，也会让其他行星产生极光。人们已经在金星、木星、土星、天王星等行星上观察到了极光或者类似极光的现象。

　　保护地球的磁场

　　这幅画卷除了美丽，还有重大的科学意义。其中的关键就是太阳挥舞的这支“画笔”。太阳活动有自己的变化周期——大约是11 年。它比较活跃的时候，就会有更多物质被抛射出来。而太阳变得活跃的一个标志就是太阳耀斑——位于太阳大气中的一种强烈的能量和物质的释放。与此同时，日冕物质抛射现象会将数亿吨的物质抛射到宇宙中。此时的太阳风会威力大增，就像是徐徐微风突然转变为狂风大作，这些物质与大气粒子的碰撞也会更加剧烈，产生更明亮、范围更大的极光现象，所以虽处于中纬度地区，我们在国内也能看到极光。

　　这种“太阳风暴”会对太空中的人造卫星、太空站、航天器产生危害，也会对地球磁场产生重大的影响——产生地磁暴，甚至会对地面上的电网系统产生影响。因此我们需要加强对太阳的观察，既要观测它的日常动向，也要关注它的特殊变化。为此，我国于2021 年发射了首颗太阳探测科学技术试验卫星——羲和号。我国还开启了监测太阳的卫星计划——夸父计划，实施了空间天气预报系统，于2022年发射了首颗综合性太阳探测卫星——夸父一号。这些都为我们能够摸清太阳的“脾气”提供了巨大帮助。

　　说到这里，极光的故事还没有结束。难道太阳的带电粒子流与磁场的共舞仅仅就是在地球上绘成了一幅巨画吗？当然不是。太阳风有着摧枯拉朽的力量，它的能量会一点点带走行星上的空气，最终让没有大气保护的行星变得一片荒凉。而磁场最重要的作用就是保护地球大气免受这些带电粒子流的侵袭。如果地球没有磁场，那么结局很可能如同火星，只剩下一片荒原，生命的诞生与演化无从谈起。所以说，我们要感谢地球磁场，美丽的极光，其实也是地球磁场激烈抵御太阳风的战场！