【極光與流星】

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【極光與流星】

 

作者: gerry

 

極光（Aurora）以其瑰麗的色彩和流動的形態給人帶來無窮的幻想。

 

博聞多識的亞里士多德稱為“天上的裂隙”（Chasms），北歐神話認為那是女武神們馳騁天際時鎧甲反射的光芒，在中國傳說中則是燭照極地臨馭風雪的北國燭龍……

 

它的名字雖然是羅馬神話中的曙光女神，卻是源自科學史上一次並不美麗的爭論。

16世紀中期，哥白尼發表了日心說，但並沒有立刻得到廣泛的認可，甚至大天文學家第谷，作為那個時代最杰出的觀測者，仍試圖建立以地球為中心的體系，年輕的伽利略對此不以為然；

 

但是第谷對1577年歐洲上空出現的一顆大彗星進行了細致的觀測，得出與現代認識相近的結論，而伽利略則堅持亞里士多德的觀點，認為那不過是大氣造成的幻想。

 

1618天空中又先後出現了三顆彗星，伽利略甚至都沒有用他的望遠鏡看上一眼。

 

由于之前宣傳日心說受到教會的警告，他便以學生Mario Guiducci 的名義出版了一本小冊子——“關于彗星的對話”（Discorso delle comete），系統地駁斥第谷的觀點。

 

在這本書中，他稱極光為“北國的曙光” （“boreal aurora”），意在強調說它同曙光一樣，都是大氣散射的陽光，而彗星也是如此雲雲。1621年在極地旅行的法國科學家 Pierre Gassendi 用拉丁語記錄下他看到的美麗景象，稱作 “aurora borealis”，後來英國的庫克船長在南極圈中也意外看到了同樣的奇觀，于是又有了“aurora australis”（南極光）。

 

極光的名字就這樣叫開了，但沒人知道這美麗來自何方……

 

1790年，英國著名的物理學家卡文迪許用三角測量法定量估計了極光的高度，發現它屬于100公里左右的高空，但這個正確的結果並沒有給問題提供太多幫助，當時載人熱氣球剛剛出現（即使在今天，開放式熱氣球最多也只能升到1萬米的高空），沒人知道那麼高遠的地方有些什麼。

 

19世紀，光譜儀的出現讓停滯多年的研究終于有了進展。

 

瑞典天文學家埃格斯特朗（?ngstr?m）在分析太陽光譜之余，第一次將光譜儀對準了極光，發現那並不是色散的連續譜，而是明顯的發射譜。

 

1896年挪威的物理學家Kristian Birkeland 給出了一個物理解釋︰

 

高能帶電粒子被地球磁場捕獲，進入大氣激發氣體分子發光。

 

他設計的精彩實驗給公眾留下了深刻的印象，但為技術水平所限，直到上世紀六十年代才終于被衛星觀測證實。

 

雖然極光的許多細節仍有待研究，但基本物理過程現在已經基本清楚了。

 

地球始終側對太陽，但從外太空進入地球的高能帶電粒子並不會直接穿透地球磁層進入大氣，它們只能沿著地球的磁力線做螺旋運動，這樣大部分粒子就被輸送到兩極，與那里的大氣分子踫撞，形成極光。

 

在太空中能看到極光的頂部有著暗紅色的輝光，那是進入大氣邊緣的質子流捕獲自由電子變成氫原子時發出的Ha 線，波長656.3nm，進入到150公里處，便到了電離層，那里大氣仍然十分稀薄，大量氧原子被激發到亞穩態，從而產生了禁戒躍遷，從1D能級跳到1S，發出波長為557.7nm的綠光，如果從3P跳到1D，則會發出波長為630和636.4nm的紅色雙線，這就構成了極光最常見的兩種顏色。

 

 

因為帶電粒子被束縛在磁力線上，所以極光不會遍布整個極區，而是集中在磁緯67度附近的環形區域中（以北極光為例，北極點附近的地磁南極在西半球，北緯79度，西經71度，所以在加拿大可見極光的緯度要比北歐諸國低了大約20度），這個區域又在強勁太陽風的沖擊下收縮成卵形（auroral oval）。

 

通常在中低緯度地區是看不到極光的，但在太陽活動強烈的時候，地球磁場受到大量高能粒子的擾動，就有可能造成極光的猛烈爆發。

 

先秦古籍《竹書紀年》中就有這樣的記載︰“周昭王末年，夜有五色光貫紫微。其年，王南巡不返。”

 

生活在黃河流域的先民是否真的經歷了如此強烈的爆發，抑或只是司天太史的穿鑿附會？

 

太陽的活動以11年為周期，我們可以在現代的記錄中尋找佐證。

 

1898年9月9日，歐洲發生了極光暴，連羅馬都看見了血紅的天光。

 

而1989年3月13日的魁北克極光暴甚至延伸到了佛羅里達和古巴，那麼在西安看到極光也不是沒有可能。

 

不過我們不必期待這樣罕見的爆發，有另外一種途徑可以領略這些天外的的色彩，那就是流星～

 

 

在許多照片中，流星都拖著黯淡的綠色尾跡出現在半空，瞬間又變成紅色，然後發出耀眼的黃白色光芒，再像燃盡的火柴一般消失在茫茫的夜色中……

 

熟悉的顏色暗示了相同的物理過程，那些其貌不揚的灰暗岩石在剛進入地球大氣層時，並沒有受到太多阻礙，進入稀薄的電離層，就像粒子打入雲室，誘發了亞穩態氧原子的躍遷。

 

在地球引力的作用下，流星體的墜落速度越來越快，而大氣密度迅速增加，摩擦產生了大量的熱量，岩石開始熔化，其中所含鐵、鈉、鎂等金屬元素劇烈燃燒發出耀眼的強光。

 

有些流星還會產生被稱作“久現流星余跡”（persistent train）的殘痕，因為含有鈉元素而呈現黃色，在高空的氣流擾動下不斷改變形狀，最終消散。

 

但是流星和極光的聯系並不僅限于此，它們的聲音也被認為有著共同的起源，不過那就是另外一個故事了……

 

參考資料︰

1、曙光女神 Aurora —焙光

2、GUIDE TO THE AURORA

3、Secrets of the Polar Aurora

4、Color of photo meteor trails

5、Meteor Wake in High Frame-Rate Images

6、Kristian Birkeland saw the lights

7、太陽風暴事件表

8、meteorobs: trails, trains

 

科學編輯︰shea

 

文字編輯︰吳鷗

 

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_4282.html