「你生在太阳吹来的风中,来到了地球外层高空,带电粒子在磁场中转呀转,聚集到北极南极,激荡了氧气氮气,发出那炫目的红红绿绿……」 撰文 | 吴进远(美国费米国家加速器实验室) 编辑 | 金庄维 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(后台回复“极光”获取),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)。 赛编辑们录了两晚的成果〜 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。 极光如何产生 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公里的炽热气流,将太阳的物质向外抛射,每秒能抛出800公斤左右。 注意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。太阳风的速度大约在200〜900公里/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的,因此并不会使它的能量损失,但却能改变它的方向。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。 太阳风与地球磁场(图源:gl.wikipedia.org) 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一样——有一个扁球状的头,后面拖着一个长尾巴。 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?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),而地球表面大气压强约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,变成像果酱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,周围就变成了真空,我们就原地爆炸了。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,可以一直存活下去。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。 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。而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线轨迹,向北极或南极运动。 带电粒子在磁场中沿螺旋线轨迹运动(图源:ualberta.ca) 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,集中到北极南极的上空。 当然,这些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。这种现象叫做磁镜效应。 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。而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公里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。 拍摄要点与经验 太阳风强弱的变化与地球的季节没有关系,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。而在夏季,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永昼,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,春秋季是比较折中时段。 除了参加高端旅游团去高纬度地区,还有一个相对比较廉价的方法可以看到极光,就是在国际旅行时,乘飞机夜间飞过高纬度地区。大多数国际航班是在出发地时间中午到下午的时段起飞,因此从西向东飞行的航班往往会在夜间飞过高纬度地区,而从东向西的航班则会一直飞行在太阳照射的地区。 比如中国飞往美国的航班会在夜间飞过阿拉斯加地区,从飞机的左侧有时可以看到极光,如果可能,在订票时可以挑选A列靠窗的座位。下图是作者在一次从北京飞往旧金山时拍到的极光照片。 (图片由作者提供) 极光有时候亮度很低,因此拍摄时照相机的曝光度应该设置得比较高一些。飞机飞行时晃动比较大,不能靠无限增加快门时间的方法来增加曝光度,光圈的增加作用也很有限,因此必须将感光元件的感光度设定得高些。作者在拍摄时,将感光元件的ISO设置在10000到12800左右,光圈设置在F2.8,快门为1秒左右。 人眼在暗光条件下无法辨别颜色,图中的极光用肉眼看是灰白色的,像云雾一样。可是只要用照相机拍成照片,立即就可以看出极光的绿色。从图中我们还可以看出,月光所照耀的飞机机翼以及云层与极光的颜色有显著不同。 很多时候,人眼的性能比照相机好。然而在暗光颜色还原上,照相机却是可以超过人眼的。因此大家从机舱看到窗外向白云一样的带状物时,不要轻易放过,先用照相机拍下来再做判断。 此外提醒读者注意不要将极光与晨曦或者晚霞混淆。晨曦或晚霞是太阳光照射在云层所形成的,产生在日出前或日落后,颜色基本是红色。而极光虽然也会有红色,但通常会同时出现很强的绿色。 当然,历史上人们确实曾经把极光误认为是晨曦,Aurora这个词就是从拉丁文“晨光,黎明女神”来的。尽管我们现在知道极光是太阳风推动的带电粒子激发气体形成的,但是既然在古代希腊与罗马神话中没有出现过“太阳风”这样一位女神,我们现在也就不必要去修改这个名字了。 《美丽极光》 为了便于向青少年和成年公众普及太阳风和极光的知识,作者试着写了一首歌《美丽极光》,歌词如下: 你生在太阳吹来的风中/来到了地球外层高空/带电粒子在磁场中转呀转/聚集到北极南极/激荡了氧气氮气/发出那炫目的红红绿绿/啊,北极光,aurora,黎明女神/照耀着千里亘古雪冰/高挂在天际的迷人光晕/是你美丽飘逸的长裙/美丽的长裙 这首歌的词曲及钢琴伴奏谱如下: 文章头图及封面图片来源:commons.wikimedia.org |
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