北极光是怎么形成的？

简短的答案

来自太阳的带电粒子与地球高层大气中的气体碰撞时，就会出现北极光。地球磁场把这些粒子导向磁极，于是碰撞——以及由此产生的光——就在每个极点周围形成一个环。被撞击激发的氧原子和氮原子，会把这份能量以光的形式释放出来：最常见的是熟悉的绿色，有时是红色、粉色或紫色。

一切始于太阳

太阳不断抛出一股带电粒子流——主要是电子和质子——这就是所谓的太阳风。它始终以约每秒 400 公里的速度掠过地球。有两件事会让它更“狂野”，也让极光更强：

• 冕洞——太阳大气中的缺口，会放出更快、更密的风，并常常随着太阳自转以约 27 天为周期反复出现。
• 日冕物质抛射（CME）——把上十亿吨带电气体抛入太空的巨大爆发。如果其中一次正对地球，它会在一两天后抵达，并可能引发一场强烈的地磁暴。

太阳的活跃程度会以大约11 年为一个周期起伏。我们正处于第 25 太阳活动周的强盛阶段，这正是 2020 年代中期出现了如此多壮观景象的原因。

地球磁场把它接住

地球是一块巨大的磁体，被一个叫作磁层的磁性气泡所包裹。它把大部分太阳风偏转到地球四周——这也正是好事，因为这层护盾使生命免受辐射。但这道磁场并不是一堵完美的墙。

当太阳带来的磁场指向南方时（也就是极光爱好者念念不忘的“Bz”分量），它会在一个叫作磁重联的过程中与地球磁场连通。这就打开了一扇门：太阳风的能量和粒子涌入磁层，并储存在它被拉长的夜侧。当这些储存的能量骤然释放，粒子便沿着地球磁力线被向下加速——而磁力线汇聚于磁极。这就是极光为何出现在高纬度地区的原因。

光的来历：粒子撞上空气

1. 一个电子沿着磁力线螺旋而下，进入高层大气。
2. 它撞上一个氧或氮原子，把原子撞到更高的能量状态。
3. 原子落回原位，把能量差以一个光子——一束微小的闪光——释放出来。

这些被加速的粒子——主要是电子——沿着磁力线螺旋而下，在大约氧和氮的100 到 300 公里高空撞上它们的原子和分子。每一次碰撞都会把原子里的一个电子撞到更高的能量状态。片刻之后它又落回原位，原子便把这份能量差以一束微小的闪光释放出来——也就是一个光子。把它乘以无数次碰撞，就得到一整幕光帘。你所看到的竖直光柱和褶皱，勾勒出的正是粒子所依循的、肉眼看不见的磁力线。

为什么会有这些颜色？

颜色取决于撞上的是哪种气体，以及在多高的地方——因为空气的密度，以及哪些原子能在撞上邻近粒子之前发光，都会随高度而改变。

人眼最容易看到绿色，在黑暗中却很难分辨微弱的颜色，所以在你眼里灰绿一片的景象，在相机里却可能绽放出粉色和紫色。要了解完整的色谱——以及 STEVE 是什么——请看极光的颜色详解。

为什么是环绕两极的椭圆？

因为粒子沿着磁力线运动，极光会形成一个环——即极光卵形环——它以每个磁极为中心，而不是地理极点。磁暴越强，这个卵形环就越大，并越往赤道方向推进，而这正是Kp 指数所衡量的。这也是为什么决定你几率的是你的地磁纬度，而不是地图上的纬度；请看极光能到达的范围。

它为什么会移动、会舞动？

宁静的极光是一道稳定的弧，但在一次亚暴——储存在磁尾中的能量突然释放——期间，光帘会变亮、泛起涟漪，并在几分钟内席卷夜空。这场舞动就是磁层在卸载能量，也是每一位追光者翘首以待的时刻。

南与北：borealis 与 australis

相同的磁力线抵达两极，所以这场演出在两个半球同时上演：北方的北极光（aurora borealis），以及南方几乎与之镜像的南极光（aurora australis）。它们是同一种现象的两个名字——这也是我们为何会同时介绍南北两个半球。

从科学到今夜的天空

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