極光產(chǎn)生原理介紹
極光產(chǎn)生原理介紹
極光常常出現(xiàn)于緯度靠近地磁極地區(qū)上空，一般呈帶狀、弧狀、幕狀、放射狀，是什么引起極光的形成呢?以下是學習啦小編為大家整理極光是怎么形成的答案，希望對你有幫助!
極光的形成
1890年，挪威物理學家柏克蘭認為，離地球1.5億千米的太陽幾乎連續(xù)不斷地向地球放射物質(zhì)點。而離地球5萬千米至6.5萬千米以外有一層磁場將地球罩住。當太陽的質(zhì)點直射這層磁場而被擋住時，它便向地球四周擴散，尋找鉆入的空隙，結果約有1%的質(zhì)點鉆入北磁極附近的大氣層。每顆太陽質(zhì)點含有等于1000伏特的電力。它們在100千米外的高空大氣層中與原子和多半由氧和氮構成的分子相遇，原子吸收了太陽質(zhì)點所含的一部分能量時，立即又將這能量釋放出來而產(chǎn)生極強的光，氧發(fā)出綠色和紅色的光，氮則發(fā)出紫、藍和一些深紅色的光。這些繽紛的色彩組成了綺麗壯觀的極光景象。
許多科學家正在對極光作深入的研究。人們看到的極光，主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且，極光的顏色和強度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量。用一個形象比喻，可以說極光活動就像磁層活動的實況電視畫面。沉降粒子為電視機的電子束，地球大氣為電視屏幕，地球磁場為電子束導向磁場?？茖W家從這個天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動的大量信息。例如，通過極光譜分析可以了解沉降粒子束來源，粒子種類，能量大小，地球磁尾的結構，地球磁場與行星磁場的相互作用，以及太陽擾亂對地球的影響方式與程度等。
極光雖然美麗，但是在地球大氣層中投下的能量，可以與全世界各國發(fā)電廠所產(chǎn)生電容量的總和相比。這種能量常常攪亂無線電和雷達的信號。極光所產(chǎn)生的強力電流，也可以集結在長途電話線或影響微波的傳播，使電路中的電流局部或完全“損失”，甚至使電力傳輸線受到嚴重干擾，從而使某些地區(qū)暫時失去電力供應。怎樣利用極光所產(chǎn)生的能量為人類造福，是當今科學界的一項重要使命。
根據(jù)美國國家航空航天局“瑟宓斯衛(wèi)星任務”(2007/12)(Themis mission)傳回的新數(shù)據(jù)，科學家發(fā)現(xiàn)太陽釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球，碰到北極上空磁場時又形成若干扭曲的磁場，帶電粒子的能量在瞬間釋放，以燦爛眩目的北極光形式呈現(xiàn)，而地球的極光主要只有紅、綠二色是因為在熱成層的氮氣和氧原子被電子碰撞，分別發(fā)出紅色和綠色光。瑟密斯衛(wèi)星任務的5個人造衛(wèi)星群于2007年2月成功發(fā)射升空，3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測到北極光出現(xiàn)兩小時，同一時間衛(wèi)星也偵測到帶電粒子流接觸到北極磁場。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是，帶電粒子和磁場接觸形成的地磁風暴以每分鐘650公里的速度掠過空中，威力相當于芮氏規(guī)模5.5級的地震。
科學家早就懷疑，北極光的能源來自帶電粒子與北極磁場接觸產(chǎn)生的扭曲磁場，但這個理論一直到2010年5月才獲得證實。當時瑟密斯任務的衛(wèi)星群從地球上空6萬多公里首度測到扭曲磁場的結構。
極光的產(chǎn)生原理
極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達地球附近，地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線(Field line)集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣時，與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)，產(chǎn)生光芒，形成極光。經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在南北緯度67度附近的兩個環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)，阿拉斯加的費爾班(Fairbanks)一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象，因此被稱為“北極光首都”。所以極光只能在地球的南北極被看見。
地球磁層磁力線攜帶太陽風的能量進入地球內(nèi)部，進而驅動了地磁場的形成。在這磁層磁力線閉合環(huán)路上除了有地球內(nèi)部的導電體之外，另外還有大氣層的電離層-這一弱導電體。當太陽風強烈時，磁力線能量遇到地球內(nèi)部的磁感抗，有許多能量消耗不掉，于是就在電離層處形成了極光。
極光的觀測地點
大多數(shù)極光出現(xiàn)在地球上空90～130千米處。美國匹茲堡磁緯高，就比在北京看到極光的機會大多了。2004年11月7日晚，較強極光出現(xiàn)在匹茲堡。 肉眼能看出綠色，紅色。2003年11月20日傍晚，極光出現(xiàn)在匹茲堡南方地平線，一小時后消退。半夜時又出現(xiàn)在北方低空。2003年10月30日出在匹茲堡的極光，雖然是在光污染嚴重的市內(nèi)，但仍能看到紅色的光芒。但有些極光要高得多。1959年，一次北極光 所測得的高度是160千米，寬度超過4800千米。在地平線上的城市燈光和高層建筑可能會妨礙我們看光，所以最佳的極光景象要在鄉(xiāng)間空曠地區(qū)才能觀察得到。美國的費爾班克斯一年有200多天能看到極光;而在佛羅里達州，一年平均只能見到4次左右。我國最北端的漠河，也是觀看極光的好地方。18世紀中葉，瑞典一家地球物理觀象臺的科學家發(fā)現(xiàn)，當該臺觀測到極光的時候，地面上的羅盤的指針會出現(xiàn)不規(guī)則的方向變化，變化范圍有1度之多。與此同時，倫敦的地磁臺也記錄到類似的這種現(xiàn)象。由此他們認為，極光的出現(xiàn)與地磁場的變化有關。原來，極光是太陽風與地球磁場相互作用的結果。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子，當它吹到地球上空，會受到地球磁場的作用。高層大氣是由多種氣體組成的，不同元素的氣體受轟擊后所發(fā)出的光的前面色不一樣。例如氧被激后發(fā)出綠光和紅光，氮被激后發(fā)出紫色的光，氬激后發(fā)出藍色的光，因而極光就顯得絢麗多彩，變幻無窮。
科學家已經(jīng)了解到，地球磁場并不是對稱的。在太陽風的吹動下，它已經(jīng)變成某種"流線型"。就是說朝向太陽一面的磁力線被大大壓縮，相反方向卻拉出一條長長的，形似彗尾的地球磁尾。磁尾的長度至少有1,000個地球半徑長。由于與日地空間行星際磁場的偶合作用，變形的地球磁場的兩極外各形成一個狹窄的、磁場強度很弱的極尖區(qū)。因為等離子體具"凍結"磁力線特性，所以，太陽風粒子不能穿越地球磁場，而只能通過極尖區(qū)進入地球磁尾。當太陽活動發(fā)生劇烈變化時(如耀斑爆發(fā))，常引起地球磁層亞暴。于是這些帶電粒子被加速，并沿磁力線運動。從極區(qū)向地球注入，這些帶電粒子撞擊高層大氣中的氣體分子和原子，使后者被激發(fā)--退激而發(fā)光。不同的分子，原子發(fā)生不同顏色的光，這些單色光混合在一起，就形成多姿多彩的極光。事實上，人們看到的極光，主要是帶電粒子流中的電子造成的。而且，極光的顏色和強度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量。用一個形象比喻，可以說極光活動就像磁層活動的實況電視畫面。沉降粒子為電視機的電子束，地球大氣為電視屏幕。地球磁場為電子束導向磁場。極光的形成與太陽活動息息相關。逢到太陽活動極大年，可以看到比平常年更為壯觀的極光景象。在許多以往看不到極光的緯度較低的地區(qū)，也能有幸看到極光。2000年4月6日晚，在歐洲和美洲大陸的北部，出現(xiàn)了極光景象。在地球北半球一般看不到極光的地區(qū)，甚至在美國南部的佛羅里達州和德國的中部及南部廣大地區(qū)也出現(xiàn)了極光。當夜，紅、藍、綠相間的光線布滿夜空中，場面極為壯觀。雖然這是一件難得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出現(xiàn)了絢麗的色彩，在許多地區(qū)還造成了恐慌。據(jù)德國波鴻天文觀象臺臺長卡明斯基說，當夜德國萊茵地區(qū)以北的警察局和天文觀象臺的電話不斷，有的人甚至懷疑又發(fā)生毒氣泄漏事件。這次極光現(xiàn)象被遠在160公里高空的觀測太陽的宇宙飛行器ACE發(fā)現(xiàn)，并發(fā)出了預告。在北京時間4月7日凌晨零時三十分，宇宙飛行器ACE發(fā)現(xiàn)一股攜帶著強大帶電粒子的太陽風從它旁邊掠過，而且該太陽風突然加速，速度從每秒375公里提高到每秒600公里，一小時后，這股太陽風到達地球大氣層外緣，為我們顯示了難得一見的造化神工。
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