K歌談極光：「你生在太陽吹來的風中」

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「你生在太陽吹來的風中，來到了地球外層高空，帶電粒子在磁場中轉呀轉，聚集到北極南極，激蕩了氧氣氮氣，發出那炫目的紅紅綠綠……」

極光是一種美麗迷人的自然現象，看到極光據說是人生四大夢想（另一個版本說是七大夢想）之一。同時，看極光也是許多高端旅遊產品的賣點。不過，要想看到真的極光，必須了解極光是怎樣產生的，極光有什麼特點，如何與晨曦、晚霞或者月光相區分。

在這篇文章里，我們首先討論極光產生的機制，然後與大家分享作者在一次坐飛機時拍攝到的極光照片，並且介紹拍攝的要點與經驗。

極光如何產生

關於極光產生的機制，有很多細節人們仍然不清楚，不過有一點已經得到確認，那就是極光的能量是由太陽風提供的。

太陽風是太陽向周圍噴射的帶電粒子，其中主要的成分是質子。我們平時看到的太陽好像是個溫火慢燒的煤球，可是實際上太陽內部的能量轉換過程非常劇烈。太陽活動會在太陽表面產生高達數萬公里的熾熱氣流，將太陽的物質向外拋射，每秒能拋出800公斤左右。

注意不要將太陽風與太陽光混淆，太陽風的粒子也不是以光速飛出來的。太陽風的速度大約在200?900公里/秒，飛到地球需要幾天時間，而太陽光到達地球只需要8分鐘。

太陽風的粒子到達地球附近後並不會直接砸下來，因為我們的地球有磁場。太陽風的帶電粒子進入地球磁場後就受到洛倫茲力，開始拐彎。洛倫茲力總是與帶電粒子的運動方向相垂直的，因此並不會使它的能量損失，但卻能改變它的方向。在地球磁場的作用下，太陽風粒子大部分將繞過地球，而不是吹到地球上。

由於太陽風是帶電粒子，如此大量的帶電粒子運動將形成很大的電流，產生一個大尺度的磁場。這個磁場與地球自身的磁場疊加，使得地球周圍空間總磁場的形狀像一個快速游泳的水母一樣——有一個扁球狀的頭，後面拖著一個長尾巴。

地球上的生物，從恐龍到人類，都應該感恩地球的磁場。如果沒有磁場會怎麼樣？一個活生生（確切說：死翹翹）的例子就是我們的「鄰居」——戰神火星。有科學家認為，火星在約40億年前失去了磁場，於是太陽風就把火星表面的氣體分子吹走了。現在火星表面大氣壓強約6百帕（hPa），而地球表面大氣壓強約1000百帕。如果地球磁場沒有了，我們周圍的大氣最終也會被太陽風吹走，變成像果醬瓶里那樣的近似真空。

當然大氣丟失有一個過程，不至於我們哪天上著班或者睡著覺，周圍就變成了真空，我們就原地爆炸了。不過，我不很清楚，在大氣逐漸被太陽風吹走的這段時間裡，有沒有地面的生物，來得及進化成為可以在低壓中生存的物種。或者在地下水體中生存的生物，可以一直存活下去。前不久，科學家在火星冰蓋下發現了冰下湖，相信人們在不久的將來，就能知道那裡是不是存在生物。

好了，我們不要再開腦洞想像不太會發生的災難了，讓我們回到現在，繼續欣賞談論美麗靜好的極光。太陽風的帶電粒子來到地球的外層高空，磁場施加在這些運動著的帶電粒子上的洛倫茲力，使得它們拐彎，可以想像其中會有一部分在磁場中繞著圈地轉。而高空大氣被電離以後，有的電子也可能從太陽風獲得能量，在磁場中繞圈。這些帶電粒子可能具有一定的向南或向北的初始速度分量，於是它們就會沿著像牽牛花藤一樣的螺旋線軌跡，向北極或南極運動。

帶電粒子在磁場中沿螺旋線軌跡運動（圖源：ualberta.ca）

在靠近兩極的地方，地球的磁場比較強，因此，帶電粒子運動軌跡的半徑就會越來越小。這樣一來，帶電粒子運動的空間就狹窄了，相應密度就大了。地球磁場就像漏斗一樣，讓巨大外層空間中的帶電粒子，集中到北極南極的上空。

當然，這些帶電粒子並不會打到兩極的地面上。因為兩極附近的磁場是漏斗形的，帶電粒子轉圈時，受到的洛倫茲力有向上的分量。這個向上的分量使得粒子向下運動的速度逐漸變慢，最終向上飛回去。這種現象叫做磁鏡效應。

存在於北極與南極上空的這些帶電粒子，在運動中會與大氣中的分子與原子碰撞，使之被激發，達到較高的能級。而當被激發的原子回到基態時，釋放出一定能量的光子，就形成了極光。根據原子激發態與基態之間能量差的不同，放出光子的能量也不同，而光子的能量與光的頻率成正比，因此我們可以看到不同顏色的極光。

在極光的光譜當中，最主要的是558納米的綠光，這是氧原子發出的。原子態的氧存在於高層大氣，而在100公里高度以下含量急劇減少。因此，很多時候極光都有一個清晰的下部邊界，像是一幅裁剪整齊的幕布。

拍攝要點與經驗

太陽風強弱的變化與地球的季節沒有關係，因此極光在任何季節都可能看到。大多數情況下，極光的亮度比較暗，要在天色全黑的情況下才能看到。而在夏季，尤其是接近夏至期間，高緯度地區日照時間很長，夜間很短，在北極圈之內甚至會出現永晝，太陽24小時不落，這樣就不可能看到極光。如果單考慮黑夜時長，固然冬季最佳，但是冬季去高緯度地區恐怕太冷了。因此，綜合考慮起來，春秋季是比較折中時段。

除了參加高端旅遊團去高緯度地區，還有一個相對比較廉價的方法可以看到極光，就是在國際旅行時，乘飛機夜間飛過高緯度地區。大多數國際航班是在出發地時間中午到下午的時段起飛，因此從西向東飛行的航班往往會在夜間飛過高緯度地區，而從東向西的航班則會一直飛行在太陽照射的地區。

比如中國飛往美國的航班會在夜間飛過阿拉斯加地區，從飛機的左側有時可以看到極光，如果可能，在訂票時可以挑選A列靠窗的座位。下圖是作者在一次從北京飛往舊金山時拍到的極光照片。

（圖片由作者提供）

極光有時候亮度很低，因此拍攝時照相機的曝光度應該設置得比較高一些。飛機飛行時晃動比較大，不能靠無限增加快門時間的方法來增加曝光度，光圈的增加作用也很有限，因此必須將感光元件的感光度設定得高些。作者在拍攝時，將感光元件的ISO設置在10000到12800左右，光圈設置在F2.8，快門為1秒左右。

人眼在暗光條件下無法辨別顏色，圖中的極光用肉眼看是灰白色的，像雲霧一樣。可是只要用照相機拍成照片，立即就可以看出極光的綠色。從圖中我們還可以看出，月光所照耀的飛機機翼以及雲層與極光的顏色有顯著不同。

很多時候，人眼的性能比照相機好。然而在暗光顏色還原上，照相機卻是可以超過人眼的。因此大家從機艙看到窗外向白雲一樣的帶狀物時，不要輕易放過，先用照相機拍下來再做判斷。

此外提醒讀者注意不要將極光與晨曦或者晚霞混淆。晨曦或晚霞是太陽光照射在雲層所形成的，產生在日出前或日落後，顏色基本是紅色。而極光雖然也會有紅色，但通常會同時出現很強的綠色。

當然，歷史上人們確實曾經把極光誤認為是晨曦，Aurora這個詞就是從拉丁文「晨光，黎明女神」來的。儘管我們現在知道極光是太陽風推動的帶電粒子激發氣體形成的，但是既然在古代希臘與羅馬神話中沒有出現過「太陽風」這樣一位女神，我們現在也就不必要去修改這個名字了。

《美麗極光》

為了便於向青少年和成年公眾普及太陽風和極光的知識，作者試著寫了一首歌《美麗極光》，歌詞如下：

你生在太陽吹來的風中/來到了地球外層高空/帶電粒子在磁場中轉呀轉/聚集到北極南極/激蕩了氧氣氮氣/發出那炫目的紅紅綠綠/啊，北極光，aurora，黎明女神/照耀著千里亘古雪冰/高掛在天際的迷人光暈/是你美麗飄逸的長裙/美麗的長裙

這首歌的詞曲及鋼琴伴奏譜如下：

來源：賽先生

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