北極光小常識 (二)

北極光的形狀與顏色

古卷有云:「黃帝之母見大電光繞北斗權星,照耀郊野,感而懷孕,生下軒轅。」後來《山海經》形容其為「燭龍」,這是中國最早對北極光的歷史記載。在西方,寒帶民族自古便常與之為伴,也産生許多神話傳說。

        北極光叫 Aurora Borealis,意思是:「北風女神的晨姿」,是地球第一位用望遠鏡看月亮的伽利略於1621年讚嘆極光時所取的名字!南極光叫 Aurora Australis,名字是庫克船長取的,或者通通都叫:Aurora,或者更簡單的叫 Northern Lights。

        北極光的奧秘跨越了時間,超越了歷史,也誕生許多神話傳說,直至近年,始知太陽黑子活動引發日冕噴發(CME)或太陽耀斑産生太陽風暴,太陽風是包含電子,質子和α粒子等高能帶電粒子電漿流,這些等離子體從日冕噴發到加速逃逸,大約2~4天到達地球,然後被地球磁場推向兩極,並被地磁加速進入大氣,與大氣氣體碰撞現出極光。故當地球觀察者偵測到日冕噴發或太陽閃焰時,若以太陽風到達地球的時間估算,極光預測以兩三日内為最凖,愈遠的預測性愈差。但是,有一個週期例外……!

        每次帶朋友去追獵極光,也許大家都很好奇有很多疑問,故此我整理了我所搜集的資訊,用五篇文章為大家稍作解釋。

極光共有12種形狀8種形式

        極光有輝光、面紗、脈動、耀斑、拱弧、條帶、扭結、漩渦、簾幕、火焰、電暈或冠冕等不同形狀,也常常出現很多迷人的面譜。在英國有一個「冰島極光網站」,將極光分成八種形式 (forms),我將其中的射線(Rayed arc或Rayed band) 和冠冕 (Corona) 再予以細分,歸納出極光12種不同形狀,這些形狀有時明靜穩定,溫柔搖曳,有時連續地激烈變化,澎湃激昂,就像演奏交響樂那樣時徐時疾,起伏抑揚,有時突然落幕止熄,消失無踪,靜默等待下首樂章再起。

        這是面紗形極光 (Veil),係由寬廣的均勻區域組成,瀰漫著淡淡的淺色光,其間夾雜著幾塊跑動的烏雲,顔色通常是淡綠色的,沒有明顯的結構或運動,並且覆蓋了廣闊的天空。

        極光的色澤取決於太陽粒子的能量,撞擊到哪種氣體和類型,以及碰撞發生的高度。由於帶電的太陽粒子碰撞大氣層,使大氣中的氧原子或氮分子被激發或離子化,當它們的激發態電子從高能軌道返回較穏定的基態軌道時,會以光子的形式釋出不同波長的可見光,類似於霓虹燈發光的原理,從而產生我們所看到的顏色。通常氧氣負責綠色與紅色,氮氣貢獻紅色、藍色和紫色。

        下圖為脈動式極光 (Pulsating patches),這是一種較低強度獨特的極光形式,其結構不那麼清晰,像是一塊塊「光斑」(patches) 不斷地閃爍,它們像雲一樣迅速形成並消散,因此看起來像一陣陣脈動式的閃光。

        極光不是祇有綠色。當極光微弱或很遙遠時,肉眼看上去是白色或淡黃色像薄雲似的,但在相機上會錄得很明顯的綠色,稱為輝光(Glow),隨著其亮度增加,顔色開始明顯。極光最多時候是綠色,也有紅色、紫藍色,紫紅色甚至黃色的。如果太陽粒子的速度越快,能量愈強,它們愈能穿透地球的磁屏蔽層,到大氣内層與不同氣體類型連續碰撞,極光的顔色將更豐富,更加活潑明亮。

       下圖是由很多極光耀斑 (Aurora rays) 所組成的簾幕(curtain),這種單獨閃現的線簇由高而下,通常也像「光斑」(patches)似的突然閃耀在其他極光的類型之中,很少像本圖那樣聚集一起形成一道簾幕,它們快速出現和消失,有時線頂附帶不明顯的紅色或紫色。 

極光為何通常發出綠光?

        要暸解北極光,首先知道電離層與氧原子,極光最主要發生在距離地面100至150公里之間的電離層(E層),那是由自由電子和正離子形成的等離子體區域,來自太陽的紫外線輻射白天將氧分子分解成氧原子(亦將少部分氮分子分解成氮原子,亦即正離子),那裡空氣稀薄到足以使氧原子能夠以單原子形式存在,因為氧原子比氮原子輕,故氧原子成為電離層下層(E層)的主要成分。

        本圖為上升帶狀(Rising vapor column 或 Striated band),其由一個或數個明顯的垂直上升條帶組成為一條狹窄的擴散帶,像在地平線上升起。其實它是在同一個等高線上,因其由遠而近,在視覺上産生「上升」的錯覺。

          在一般能量的情況下,太陽粒子撞擊電離層密度最高的氧原子時最通常發出綠光,那是氧原子的激發電子從高能軌道回到基態軌道時的特有光波,綠光於是成為極光主導性的顏色。極光綠為何有時候會變成檸檬綠?那是因為太陽粒子也將電離層少數含量的氮分子正離子化,這些氮分子被正離子化後射出的電子,還會激發氧原子使之産生額外偏點淺藍色的檸檬綠,所以極光綠會混雜一些檸檬味。

        圖為帶點檸檬綠的均勻弧形極光(homogeneous arc),因這弧形並不明顯,故又稱為均勻光帶(Homogeneous band),這些弧形通常出現在極光較不活躍的時候,不規則地橫跨天空,有時候與我們的距離相當遙遠,它們緩慢地移動,若逐漸移近時,弧線將轉換為其他較激烈的形式。

黃色極光是真的嗎?

        在電離層的低海拔區間(100至120公里),如果太陽粒子能量更強一些,讓一些氧原子吸收到更高能量,使其外層電子被激發到更高能量的激發軌道,又因此處宻度較高,很容易發生再次碰撞,當激發態電子從更高能量的激發軌道躍遷回到較低能量的激發軌道時隨即受到碰撞,來不及像從正常激發軌道回到基態軌道那樣發出綠光,而是發出較低能量的紅光(能量與波長成反比)。

        圖中的漩渦狀極光(Aurora Swirls)是射線光帶(Rayed band)的一種表現形式,也許它剛開始時變化緩慢,卻可能會愈變愈精彩。

        除了氧原子的高能激發電子貢獻較深紅色光之外,如果極光夠強,太陽粒子能夠穿透至更低的海拔高度(80至100公里),那裡的氮氣較多,被激發的氮分子也會發出鮮紅色光,在兩種紅色光和一般極光綠混合之後,便造成紅黃色或黃綠色的極光。

        下圖為眾多極度扭結的射線光帶(Rayed band),那光帶底部出現的紅色與黃綠色光,並不是偏色或者曝光過度,而是極光強度增加時出現的真實顏色,在現場用肉眼也很容易分辨得到。

高空上的紅色火焰

        氧原子除如前述在極光下層造成紅邊或黃色極光之外,在高空上也會現出紅光。當強烈的地磁活動出現時,足夠將更高海拔(約200公里以上)的氧離子激化産生較深顏色的紅光,這些被激發的氧離子受到地磁線匯聚所產生的「鏡面效應」,垂直地被加速拉上太空,故在綠光頂部形成一片獨特棕紅色像火焰般的極光,但是愈高空原子氧的數量愈少,並且濃度逐漸降低,火焰頂部的紅光會顯得愈高愈趨微弱的樣子。

        本圖這種極光形式被稱為:射線光弧 (Rayed arc)。當極光活躍時形成極光簾幕,垂直的光線條紋像似窗簾上的精美皺褶,簾幕條紋左右劇烈跳動,紅焰有如幻彩飄動,非常好看。


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