極光....？？

Question

之前有時會在報章雜誌上看見“極光”這ㄍ東西，但我對他ㄅ是說很了解，請知道ㄉ人多多幫我解答吧～！！ Thanx.

Answer 1

一、極光的分類


甲、依照出現位置分類

極光如同天使頭上的光環（圖）般套在地球的南北極。故又稱為極光橢圓圈（圖）。位在北極的稱為「北極光」。位在南極的稱為「南極光」。北極光與南極光有時可如同鏡中的影像（圖）一般成對出現。


乙、依照性質分類

極光依其性質可分為連續一片的「擴散極光」，以及不連續的「分立極光」。「擴散極光」如同氣輝般，光度暗淡且均勻的分布在中、高緯度的夜空中。「分立極光」則由許多極光弧，如皇冠般戴在高緯區的夜空電離層上。



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二、極光的形成原因

極光的產生過程與霓虹燈管發光的原理相似。

霓虹燈管內，藉著兩極的電壓差將電子加速，然後將管內稀薄氣體撞擊而發光。

來自上空的高速電子撞擊電離層中的原子、分子、或離子，把它們打成激發態（通常必須是一個高能階的準穩定態），等一段時間後（【生命期】），它們會自動的跳回基礎態（或較低能階的準穩定態），放出一定波長的光，這就是極光。


造成極光的的高速電子，打哪兒來的呢？
（圖：早期錯誤的看法，以為直接來自太陽的電子束！）


造成擴散極光的高速電子來自內磁層：

內磁層中，原來沿磁場線來回彈跳（圖）的高能電子，被擾動的電場與磁場散射後，無法繼續來回彈跳而落入電離層中，並與電離層中的氫原子碰撞發出紅光。由於這些電子一個一個落下來，好像下毛毛雨一般。因此所產生的極光也像毛毛雨弄溼地面一般，呈現相當均勻的分布。

造成分立極光的高速電子來自磁尾電漿片或磁層頂：

造成分立極光的高速電子成因可能不只一種，以下只是提出其中一種，做詳細的說明。

磁副暴是一種強烈的磁場擾動。主要的擾動發生在磁尾、以及高緯的電離層與地表。當磁副暴發生時，磁尾的磁場發生變形，會將電漿片中的熱電漿擠出來，灌入電離層（圖）。

當來自磁尾電漿片的熱電漿，到達電離層上空時，會自行形成一組Ｕ型的等電位分布（圖），其中，越內層的Ｕ型等電位面，電位越低。也就是說：

在Ｕ型結構的中央處，形成了一個沿磁場方向，方向向上的「場向電場」。

在Ｕ型結構的兩側，形成了一個垂直磁場方向輻合形式的電場分布。

因此，位在Ｕ型結構中央處的電漿中的電子，就會被此向上的「場向電場」所加速，高速的打入電離層。


當地球磁層外面太陽風中的磁場方向，具有南向分量時（與地球磁場方向相反時），地球的磁層頂，也成了一個帶有很強電流的電漿片。這樣的磁場與電流分布，很不穩定，也會造成強烈的磁場擾動（例如：「磁場線重聯（圖）」）。當來自磁層頂電漿片的熱電漿，到達電離層上空時，也會造成「場向電場」，並加速電子。



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三、極光弧的運動

分立極光為什麼會盤旋飛舞呢？原來在極光兩側不發光的電漿，會沿著Ｅ×Ｂ的方向運動。（至於詳細原因，只要學過電磁學的同學，就可以從帶電粒子在電場與磁場中的運動軌跡中，看出來！）

什麼是Ｅ×Ｂ的方向呢？

在Ｕ型電位兩側，各有一個朝向極光的輻合電場。

假想有個玩偶，頭頂沿著電場方向。眼睛向前正視，沿著磁場方向，則Ｅ×Ｂ的方向，就是左手方向。

由於極光兩側的電場反向，所以兩側的電漿流也反向運動，柔搓的結果，逐漸形成渦流。這就是分立極光會盤旋飛舞的主因（圖）。

科學家可以根據這項原則，分辨出地面或太空梭上所拍攝的極光照片，是南極光還是北極光！

研究一下，看看以下這張太空梭上所拍到的極光，是南極光還是北極光？
太空梭上所拍攝到的極光上部的結構（圖）。


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四、極光的光譜（圖）

極光光譜可由紫外線到紅外線。在可見光範圍的極光的成因，可由打入之電子能量及大氣成分（重的沈在下，輕的浮在上）而得。

當打入之電子能量不太高時，可將高層氧原子打成激發態氧原子O(1S)。此激發態氧原子O(1S)回到基礎態氧原子O(3P)便發出白綠色的光（波長5577A），此即最常見的白綠色彩帶般的極光。（圖）

當一般強度的磁層副暴發生時，打入電離層的電子能量較高，可將較下層氮分子打至不穩定的游離態氮分子離子。當此激發態氮分子離子回到基礎態氮分子離子便放出青藍色的光，波長4278A。因此在一般強度的磁層副暴時，可見北極光如青龍般在極區（約北緯70-80度左右）夜空盤旋飛舞。（圖）

當打入的電子能量非常高時（少有之超強磁副暴），電子得以深入低層電離層，將下層之氧分子打成兩個激態的氧原子，其中一個O(1D)可放出紅光6300A而另一激態的氧原子可為O(1D)或O(1S)，故可放出紅光或綠光。因此在超強磁副暴時，可能見到血紅色的極光（圖）或紅綠相間的極光（圖）。
太空梭由上往下所拍攝的極光，多呈淺紅色，這是氫所發的紅光。地面上不容易看到此種氫所發出來的紅光極光弧，是因為氫所發出的紅光，相對應的【生命期】較長之故。在較低空的大氣中，空氣不夠稀薄，碰撞太頻繁，如果高能階激發態的【生命期】太長，往往來不及大家一同由高能階跳回低能階發光，就個別與另一個粒子發生碰撞，把光給放出來了。所以只能產生類似擴散極光的現象，無法造成明亮的極光弧！



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五、極光照片欣賞

圖一、地面上所見的分立極光弧如幕簾般掛在高緯區的夜空中。

分立極光分布的高度約在地表上方八十公里到兩千公里的高空中，其極光弧寬度，窄的不到一公里，寬的可超過十公里。

圖中構成幕簾的直線光束與地球磁場線一致。這是因為被電場加速往下打擊大氣粒子的電子能量很高，通常經過一次撞擊後，自己本身，以及被撞出來的新生電子，都還有多餘的能量，因此這些電子就會沿著磁場線繼續向上與向下撞擊其他大氣粒子。

其中向上跑的電子，因為空氣密度低，所以可以沿磁場線跑得很高，使整根磁場線上，都出現游離發光的氣體。

至於向下打的電子，因為下方大氣密度高，於是在很短的距離中就與很多的氣體分子相撞，不一會兒就跑不動了。

因此極光的結構很像簾幕，上方沿著磁場線一根根染色上光，下方就像簾幕下方的綴飾一般分外寬厚明亮。


圖二、太空梭上所拍攝到的極光上部的結構。

圖三、磁層副暴發生時人造衛星上所攝得的大尺度極光結構變化情形。

在人造衛星上，通常是用紫外光來觀測大尺度的極光結構。但由於衛星影像的解析度不夠高，因此無法辨識出分立的極光弧等精細結構（小尺度的現象）。


圖四、人造衛星上所攝得ㄖ型極光 (theta aurora) ，又稱跨極極光弧 (transpolar arc) 。

這種「跨極極光弧」結構多發生在行星際磁場有北向分量時。一般相信，這種「跨極極光弧」是由於行星際磁場與地球磁場在極區發生「磁場線重聯」所造成的現象。


圖五、人造衛星上所攝得亮點極光 (bright spots aurora) 結構。

這些「亮點極光」結構的形成與高速太陽風吹過地球磁層，在磁層頂內部之邊界層所造成的渦流有關。這些亮點發生地點多位於中午到下午之極區電離層，但有時亦可以在中午前的方位出現。

Answer 2

恩恩～他真ㄉ蠻優ㄉ..找這ㄇ多資料～！！

Answer 3

太陽ㄉ電磁波受地球ㄉ引力影響所形成ㄉ天文景象

Answer 4

極光
在寒冷的極地，萬里無雲的晴朗夜晚，漆黑的天空中佈滿了閃閃星光。猛一抬頭，忽然在黑色天幕的背景襯托下，看到一整片移動的光幕，移動的速度或快、或慢，通常帶著淺淺的冷綠色，有時又帶有淺鵝黃、或是一點點的紅。

極光，並不是晚睡的人才能享受的美景，只是白天太陽的光線太強烈，往往會讓人察覺不到極光的出現，就像星星永遠都在，只是白天肉眼無法看得到一樣。
　
極光出現的時間，短則半分鐘，長則甚至會持續半個小時以上，極光移動的速度也是有的快有的慢，在移動的過程中，千變萬化的型態，更是極光吸引人的地方！因此人們常會說，極光，就好像在漆黑的天空舞台上，優雅地演出一場「光」的舞蹈秀！
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極光的成因
太陽風路徑圖
假想您是一位從沒看過、或聽說過「極光」的人，當您看到一片彩色的光幕在天空中漫舞，或是一條光帶緩緩地劃過天空，您會怎麼想呢？
　
極光的成因，在19世紀中葉以前，一直被認定為極地空氣中的小冰片，反射太陽光而形成的。然而一位瑞典的科學家安格斯壯(1814~1874)提出了一個想法：如果極光真的是由小冰片反射太陽光形成的，那麼如果拿菱鏡去分析極光，必定可以將它折射成七個色光。安格斯壯分析的結果，確定它並不是被反射的太陽光，在經過光譜的分析之後，他推測，極光是放電現象的產物。
　
就像現代都市街道上到處可見的霓虹燈，極光的放電原理與霓虹燈管十分類似。在幾近於真空的環境下，在比較低的電壓下就可以產生放電作用。極光的發生通常是在地球大氣層外圍的電離層，電離層中空氣稀薄，因此是容易放電的環境。
　
當從太陽表面"吹送"出來的太陽風到達地球時(圖)，太陽風中的高能量帶電粒子，會順著地磁的磁力線方向往兩極方向移動，這些帶電粒子到了電離層，與大氣中氣體原子碰撞放電，就會發出瑰麗的極光。
　
由於高層大氣中，氧原子含量較高，因此我們看到的極光多為綠白色，也就是氧原子被電離之後發出的光顏色，而偶爾看到像閃電那樣的紫紅色，則是氮原子電離後發光的顏色。而除了地球之外，天文學家們觀察到其他行星也有極光的現象。


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Answer 5

哇！！！喵喵同學．．．你很強喔．．查那麼多資料．．．

Answer 6

只找到這個說．．

極光
極光之美

在寒冷的極地，萬里無雲的晴朗夜晚，漆黑的天空中佈滿了閃閃星光。猛一抬頭，忽然在黑色天幕的背景襯托下，看到一整片移動的光幕，移動的速度或快、或慢，通常帶著淺淺的冷綠色，有時又帶有淺鵝黃、或是一點點的紅。
極光，並不是晚睡的人才能享受的美景，只是白天太陽的光線太強烈，往往會讓人察覺不到極光的出現，就像星星永遠都在，只是白天肉眼無法看得到一樣。


　


極光出現的時間，短則半分鐘，長則甚至會持續半個小時以上，極光移動的速度也是有的快有的慢，在移動的過程中，千變萬化的型態，更是極光吸引人的地方！因此人們常會說，極光，就好像在漆黑的天空舞台上，優雅地演出一場「光」的舞蹈秀！


　


極光的成因



　


假想您是一位從沒看過、或聽說過「極光」的人，當您看到一片彩色的光幕在天空中漫舞，或是一條光帶緩緩地劃過天空，您會怎麼想呢？


　


極光的成因，在19世紀中葉以前，一直被認定為極地空氣中的小冰片，反射太陽光而形成的。然而一位瑞典的科學家安格斯壯(1814~1874)提出了一個想法：如果極光真的是由小冰片反射太陽光形成的，那麼如果拿菱鏡去分析極光，必定可以將它折射成七個色光。安格斯壯分析的結果，確定它並不是被反射的太陽光，在經過光譜的分析之後，他推測，極光是放電現象的產物。


　


就像現代都市街道上到處可見的霓虹燈，極光的放電原理與霓虹燈管十分類似。在幾近於真空的環境下，在比較低的電壓下就可以產生放電作用。極光的發生通常是在地球大氣層外圍的電離層，電離層中空氣稀薄，因此是容易放電的環境。


　


當從太陽表面"吹送"出來的太陽風到達地球時，太陽風中的高能量帶電粒子，會順著地磁的磁力線方向往兩極方向移動，這些帶電粒子到了電離層，與大氣中氣體原子碰撞放電，就會發出瑰麗的極光。


　


由於高層大氣中，氧原子含量較高，因此我們看到的極光多為綠白色，也就是氧原子被電離之後發出的光顏色，而偶爾看到像閃電那樣的紫紅色，則是氮原子電離後發光的顏色。而除了地球之外，天文學家們觀察到其他行星也有極光的現象。
　


還有雙極光

美 國 科 學 家 最 近 第 一 次 拍 攝 到 地 球 雙 極 光 的 照 片 ， 顯 示 出 質 子 極 光 和 電 子 極 光 同 時 出 現 的 情 形 。

科 學 家 指 出 ， 我 們 通 常 看 到 的 北 極 光 (aurora) 是 一 種 電 子 極 光 (electron aurora) ， 這 種 極 光 是 由 太 陽 (Sun) 發 射 出 來 的 電 子 (electrons) 粒 子 ， 碰 撞 到 地 球 上 空 的 磁 場 (magnetic field) 而 產 生 的 ， 不 過 ， 很 少 人 會 看 到 同 樣 明 亮 的 質 子 極 光 (proton aurora) ， 它 是 由 帶 陽 性 的 電 極 的 質 子 (proton) ， 亦 即 氫 原 子 (hydrogen atom) 的 核 子 (nucleus) ， 碰 撞 到 地 球 的 磁 場 而 產 生 的 。

由 美 國 加 州 大 學 (University of California) 科 學 家 製 造 的 IMAGE 人 造 衛 星 (satellite) ， 在 二 零 零 零 年 三 月 二 十 五 日 發 射 升 空 ， 這 枚 人 造 衛 星 攜 帶 有 五 組 攝 影 機 ， 利 用 不 同 波 長 (wavelength) 的 紫 外 線 (ultraviolet) ， 拍 攝 地 球 極 光 的 情 形 ， 最 近 ， IMAGE 人 造 衛 星 拍 攝 到 地 球 雙 極 光 的 照 片 。

科 學 家 指 出 ， 利 用 比 較 短 波 長 的 紫 外 線 ， 可 以 拍 攝 到 氫 原 子 發 射 出 來 的 光 ， 而 利 用 比 較 長 波 長 的 紫 外 線 ， 可 以 拍 攝 到 氧 (oxygen) 原 子 發 射 出 來 的 光 ， 利 用 更 長 波 長 的 紫 外 線 ， 可 以 拍 攝 到 氮 (nitrogen) 原 子 發 射 出 來 的 光 。

從 拍 攝 回 來 的 照 片 ， 科 學 家 發 現 ， 質 子 極 光 是 首 先 出 現 ， 然 後 引 發 電 子 極 光 的 產 生 ； 上 圖 所 見 ， 是 人 造 衛 星 拍 攝 到 質 子 極 光 的 照 片 ， 下 圖 是 電 子 極 光 的 照 片 。

科 學 家 解 釋 說 ， 質 子 和 電 子 的 動 作 是 不 同 的 ， 當 質 子 進 入 地 球 的 大 氣 層 ， 它 很 快 便 被 電 子 中 和 (neutralized) ， 它 不 會 跟 隨 地 球 磁 場 的 磁 線 移 動 ， 而 是 向 四 方 飄 飛 ， 因 此 ， 質 子 極 光 是 比 較 擴 散 ； 而 電 子 極 光 則 跟 隨 地 球 磁 場 的 磁 線 移 動 ， 形 成 比 較 有 結 構 的 極 光 。

Photos courtesy of University of California

和木星上的極光

　

　

木星上的極光
Aurora on Jupiter
二零零一年六月 June 2001
最近，南歐洲天文台發表了在二零零零年十一月拍攝到木星上極光的照片，和木星兩極上空的煙霧，這是科學家第一次清楚拍攝到木星兩極的情況。

木星(Jupiter)離地球(Earth)約六億一千萬公里，過去，科學家曾經利用太空總署(NASA)的哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)，拍攝到木星極光(aurora)的照片，不過，使用南歐洲天文台(European Southern Observatory)的紅外線(infrared)望遠鏡，科學家可以更清楚地觀察到木星極光和北極上空的煙霧(haze)。

上圖所見，是木星的熱紅外線(thermal infrared)影像，圖象的左方光亮的一點，是最近木星的衛星艾奧(Io)的照片；中圖所見，是放大了木星的照片，可以清楚顯示木星北極的橢圓形極光和煙霧。

科學家指出，極光是環繞木星的磁軸(magnetic axis)，而這些煙霧，是環繞著木星的旋轉軸(rotation axis)，是在極光環之下；煙霧是受到木星上的地帶風(zonal winds)影響，這些地帶風是在同一緯度(latitude)上移動的；科學家相信，木星以十小時一次的迅速自轉，也會影響兩極上空煙霧的移動。

下圖所見，是科學家拍攝到木星的衛星艾奧的火山爆發的照片，艾奧是除地球外，在太陽系唯一有火山活動的星體，科學家相信，艾奧的火山活動是受到木星和其他衛星的引力影響而產生爆發的。








Photos courtesy of European Southern Observatory