答：為什麼極光出現在南北極附近的圓環形區域？

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空少問答

小課堂

第六十七期

3

月

19

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周

一

答：為什麼極光出現在南北極附近的圓環形區域？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：問：為什麼極光出現在南北極附近的圓環形區域？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到，美國國家航空航天局（NASA）與挪威合作的名為「極光區氣流上涌火箭實驗」的計劃，研究的是極光對大氣動力學的作用。

極光，是出現在極區、來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流沉降到高層大氣中、使大氣分子或原子激發（或電離）而產生的絢麗多彩的發光現象。因此，極光是一種由宇宙空間的粒子與地球高度很高的中性大氣粒子之間發生作用產生的現象。

上期我們也說到，最近（3月14-15日）有比較強烈的太陽活動，可以激發極光，但極光不是越往南、北極去就越強的，主要分布在「極光卵」區，也就是一個南北極附近的圓環形區域。那麼，為什麼極光只出現在南北極附近，而且出現區域是個圓環形區域呢？

「極光卵」

地球中性大氣的粒子能量較低，而宇宙空間來的能量較高的粒子，會對它碰撞、激發。能量較高的粒子往往帶電，帶電粒子在磁場中要受力偏轉，所以我們地球周圍的磁場對我們是一個保護，把充斥在宇宙空間中、對我們人體有害的高能量粒子擋在外邊。

但是，太陽來的粒子（太陽風）源源不絕，就好像我們在風中走的時候頭髮會被吹到腦後，地球的磁場也被「吹」到「身後」，在太陽風中的地球磁力線示意圖如下圖所示，其實它們會在地球背面很遠很遠拖出一條長「尾巴」，是空間科學中著名的「淚滴形」：

地球磁場的磁力線被太陽風吹」到「身後」

磁力線一部分在地球正面形成環，一部分在背後一直延伸到很遠，而沒有特別的力作用，大部分粒子是不能橫穿這些磁力線的。這麼一來，正面的太陽高能粒子就被磁力線「圓環」擋住了。但是，圖上也能看出，在正面的環和倒向後方的磁力線之間，南北極附近各有一個「漏斗」，這裡就叫「極尖區/極隙區」，太陽風粒子可以直接「灌」進來，沿著磁力線一直進入到較低的高度（「高」和「低」只是相對，這裡依然是地球高層的大氣，極光出現的高度一般離地面100千米到500千米），就能激發地球大氣粒子，發出「極光」。不過，因為白天陽光強烈，肉眼看不到這些「極光」，但發光現象依然是存在的。

太陽風粒子可以從極尖區進入

可想而知，另一條路，高能粒子從背面來呢？在地球背面的遠處，這些磁力線匯合時，就可能重新連接，釋放的能量把那裡的粒子加速，一部分遠離地球而去，而一部分就沿著磁力線又想著地球飛來。這些粒子有的是太陽風在正面跟著磁場「包裹」進來的，有些還是從地球跑出去的，反正經過一些活動，大致南北兩瓣的磁力線中間的那些磁力線重新連接（「重聯」）、粒子沿著這些磁力線飛向地球，進入大氣，激發極光；而這些磁力線並不是地磁南北極中心位置出去的，恰恰是大約離地磁極20~25°地磁緯度上的那些磁力線，因此在稍微遠離南北極中心位置的地方才是極光出現的主要區域。這部分極光更強，也沒有太陽光的干擾，是我們平時說的極光。

地球背面磁力線重聯，粒子沿著磁力線到達地球兩極附近的「極光卵」

而這些示意圖是二維的，想像三維情況下的地球及其磁場（磁層），極光出現的區域就變成了了圓環形，也就是「極光卵」。

三維地球磁層

因此，簡單總結：激發極光的高能粒子需要沿著磁力線飛行，其所沿著的磁力線發源於南北極附近的圓環形區域，所以極光出現在這樣一個區域。

留言區·精選

@ 夏天的味道

因為地磁場就相當於一個磁鏡，捕獲等離子體，使得等離子體到磁鏡點折返，來回折返運動。如果入射粒子平行於磁場（橫向動能較小）根據粒子的磁矩不變，就要求磁鏡點的磁場更大。越靠近磁極磁場越大，此時高度已較低，已經在高層大氣範圍。帶電粒子就會與大氣層的分子產生碰撞，使得部分分子能力升高，然後自發從高能級躍遷到低能級，產生極光。。。

@ Z

與地球磁場的位形有關，越往兩極，磁場與地面的傾角越大。

感謝大家的支持，我們下期再見！

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