極光是怎樣形成的？
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圖中是冰島上空的綠色極光，與前景冰川相呼應，彷彿是一座正在噴發的綠色火山。倒映在湖面上的淡綠色光影、天上的雲朵和西沉的明月交相輝映，美不勝收。（圖片來源：APOD）
雖然我們大多數人並沒有親眼見到過極光，但只要提到它依然會在腦中閃過這樣的畫面：空曠的夜空中，飄渺的綠光如絲帶般飛舞飄動。極光真的是這樣嗎？極光到底是怎樣形成的呢？
極光是怎樣形成的？
在介紹極光的形成之前，我們先來介紹一下地球生命的保護傘——地球磁場。
地球保護傘——地球磁場
我們可以把地球視為一個巨大的磁鐵，其中磁北極在地理南極附近、磁南極則在地理北極附近。這兩極所產生的球體磁場即為地球磁場。指南針正是利用了磁鐵的指極特性來幫助我們辨別方向，不過由於通過兩個磁極的假想直線（磁軸）與地球的自轉軸大約成11.5度的夾角，因此指南針所指的方向並不是正南北方向。
地球磁場
地磁場一個重要的作用是保護地球生命免受太陽風的危害。太陽風是一種等離子體，地球磁場的存在像是為地球張開了一把大傘有效地阻止了太陽風的長驅直入。在地球磁場的「反抗」下，太陽風中的大部分高能粒子會繞過地球磁場，繼續向前運動，但有些高能粒子會被地球磁場俘獲，並沿著磁力線向磁極落下。這些下落的高能帶電粒子，與兩極大氣層中的氧、氮等分子、原子發生碰撞，使之成為激發態的離子，並發射出不同波長的輻射。由此便產生出壯美的極光。因此，極光不只在地球上出現，太陽系內的其他具有磁場的行星上也會有極光出現。
【太陽風】
在太陽日冕層的高溫（上百萬開爾文）下，氫、氦等原子已經被電離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，射向太陽的外圍，形成太陽風。
極光是什麼顏色的？
從上述內容我們知道，美麗的極光正是太陽風、地球磁場和大氣層共同的傑作。太陽風中高能帶電粒子的能量、數量和大氣層中不同高度處不同原子、分子的特性直接決定著極光的顏色和強度。入射離子的能量高低決定了粒子能夠沖入大氣的深度。在不同的高度碰到不同種類的氣體分子便會產生不同的顏色。
加拿大北部的壯觀極光與地面帳篷屋內灑出的溫暖光線共同構成了這幅色彩飽滿的美圖。（圖片來源：APOD）
通常來說，在200千米以上的高空，帶電粒子撞到氧原子時，氧原子會受激發出紅光。而在100~200千米高空，氧原子則會受激發出黃綠色光，這也是我們最經常會在極光照片上看到的那種顏色。另外，電離狀態下的氮會發出藍光，中性的氮分子受到撞擊時發出的則是紫紅色光。
美國緬因州上空多彩的極光。（圖片來源：APOD）
打一個形象的比方，極光活動可以說就像磁層活動的實況電視畫面一樣。下落的高能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。三者共同作用，在這個天然「大電視」中為我們上演變幻莫測、絢麗奪目的極光盛筵。
正因如此，極光有帷幕狀、弧狀、帶狀以及射線狀等多種形狀。其中發光均勻的弧狀極光是最穩定的外形，有時能存留幾個小時而看不出明顯變化。然而，大多數其他形狀的極光通常總是呈現出快速的變化，並最終朝地極方向消失褪去。
何時何地可以看到美妙的極光？
地球磁場會引導絕大部分太陽風中的高能粒子「繞道而行」，但有少數會隨著磁力線落到地球的兩極「漏斗」區域，因此極光往往出現在緯度靠近地磁極附近的高維地區——在南極地區形成的叫南極光，在北極地區形成的叫北極光。然而在太陽活動盛期，極光有時也會延伸到中緯度地帶，太陽每11年左右有一個非常活動期，拋出大量高能粒子進入宇宙空間。此時出現的極光最為瑰麗壯觀。
漠河極光（圖片來源自網路）
由於地平線上的城市燈光和高層建築都會妨礙我們的視線，所以極光的最佳觀測地點是在高緯度地區鄉間的空曠地帶。在中國，能夠有機會一睹極光風采的地方只有北極村。北極村是中國黑龍江省漠河縣最北的村鎮，同時也是中國最北的城鎮、距離北極最近的地方。北極光雖然一年四季都有可能出現，但最佳觀測時間是在每年冬至前後的夜晚。因為此時漠河常會出現萬里晴空的天氣，北極與漠河之間沒有雲層阻隔，便可以看到壯觀至極的北極光了。而且此時北極正處在極夜之中，能看到極光的幾率也就大大增加。雖然極光白天也會出現，但因白天陽光亮度大，極光亮度小，不易看到。
【極夜與極晝】
極夜是指發生在地球的兩極地區，一日之內太陽都在地平線以下的現象，即夜長超過24小時。相反，極晝是指一日之內太陽都在地平線以上的現象。北極和南極都有極晝和極夜，一年內大致連續六個月是極晝，六個月是極夜。
極光的低調「夥伴」——氣輝現象
相比絢麗無比的極光，還有一種鮮為人知的大氣發光現象——氣輝。氣輝之所以如此低調，是因為觀測氣輝的最佳地點是在國際空間站，從太空來看，地球表面常常會有一個黃綠色的光圈。這個神秘的光圈，便是氣輝。
拉斯坎帕納斯天文台夜晚上空的氣輝與銀河。（圖片來源：APOD）
氣輝與極光類似，都是由於高層大氣電離產生。它是發生在大氣層高處的光化學反應，多種原子、分子和離子受太陽紫外輻射激發後釋放出來的光線形成。可見的氣輝多數來自氧原子和分子，它們發出的是綠光，就像通常在極光中看到的一樣。儘管在大氣層各層中都有這些元素，不過明顯可見的發光層主要分布在85~90千米的高度，通常是一個6~10千米厚的光圈。這是因為，處於這個高度之下的原子和分子更密集，碰撞更多，會快速地釋放出它們的能量。此外，還有很多其他因素（比如氣溫）也會在氣輝現象中起作用。不同時間段也是影響因素之一，比如夜晚的氣輝就和白天的也不一樣。由於氣輝的存在，即使刨除了星光和散射太陽光的影響之後，地球的夜晚也不會是全黑的。
國際空間站拍攝到的氣輝現象（圖片來源：APOD）
氣輝與極光雖然都是由高層大氣電離形成，但它們的具體形成機制有所區別，並且在與太陽活動的關係和可觀測的地理緯度上存在明顯的差異。極光的出現與太陽活動相關，而氣輝與太陽活動關係不大，且呈現出周期性和季節性的變化；極光則較多的出現地磁極附近的地區。此外，氣輝的發光度也要比極光微弱得多。
《星星為什麼會發光？》
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