北極光小常識 (六之三)

極光帶與Kp指數

        魚鱗狀,有看過嗎!這是極光太強使得亮光穿透雲層所造成的視覺現象。黃刀與育空為何是最宜欣賞極光的地方?首先從所謂極光帶談起。

        對很多人來說,極光的科學理論固然晦澀難明,我以我所理解,為大家深入淺出。

        地球一直受地球外核液態鐵攪動產生的磁層保護,地球磁層像個金鐘罩一樣,使得地球免於受到太空輻射侵襲,但是有電就有磁,磁再産生電,20世紀初,一位名叫克里斯蒂安·伯克蘭(Kristian Birkeland,1867~1917)的挪威物理學家首先提出,極光是由太陽電子與地球磁場相互作用,在極地高空産生電流而引起的,改變了傳統的粒子碰撞理論。

何謂極光帶或極光橢圓?
        自從1960年代得助於人造衛星開始,極光被証明為伯克蘭所描述的地磁活動,科學家偵察到太陽風被地球磁場推向兩極,帶電粒子穿過磁場產生電流,電流順沿著地球磁力線到達地球南北兩個磁層頂,分成正負兩端以螺旋形落入大氣層,並圍繞地球磁極為中心建立一道橢圓形的導電空間,電流在橢圓正極流向另一側的負極,與大氣層的氣體相互作用,形成一對極光概率最高的橢圓形狹窄環帶區域,稱為:極光帶或極光橢圓(auroral ovals)。

        由於太陽粒子以俯仰角度進入大氣層,故垂直如柱狀(rising vapor column)的極光反映地球磁場俯仰角的分佈,斜横形如弧狀的極光表示極光橢圓遠處所在的位置,極光散漫的廣度表現在極光帶下看到極光橢圓的窄濶。下圖由射線光帶(Rayed band)所組成的極光圖像,其實是極光帶由遠而近,由高至低的三度空間光線構成。

極光橢圓晩上擴大白天收縮

        這個極光橢圓並不對稱,就像一對橢圓形的指環套在地球的兩端,它在向陽面的白天時被太陽風壓縮,中午圈徑距離地球磁極的夾角約為10°,而且變得非常細薄和微弱;在同一時候,其午夜圈徑與磁極夾角則約為20°,且向磁尾擴張,一般寬度也由緯度約3°擴增至6°。

        極光橢圓的半徑並非固定,當太陽風安靜時,極光橢圓會向內圈收縮,極光帶變得非常狹窄,當地球磁暴增強時,極光橢圓的直徑會隨之擴大,並且寬度變寬向赤道方向擴展,使得極光出現在較低緯度。

黃刀與育空最宜欣賞極光

        黃刀與育空為何是最宜欣賞極光的地方?極光特別眷顧加拿大!由於地球磁極不在地理極點,它不固定地向加拿大方向偏斜約11°,磁極偏斜加上圈徑夾角,所以極光橢圓晚上一般落在北緯約60°的加拿大廣大區域上,亦即極光帶就落在黃刀與育空頭頂,故是最適宜欣賞極光的地方,俄羅斯則要北上到北緯80°才看得到。

        有一個有趣的問題,如果發生強烈地磁風暴時,極光橢圓的直徑會隨之擴大,故在低緯度地區出現的極光強度反而會比平常得天獨厚的極光帶「頭頂區域」更加激烈。

北極反而看不到極光?

        科學家稱極光橢圓形內部的區域為極帽,極帽內的磁力線是開放並且垂直後轉向背風面的磁尾外太空延伸,順勢將絕大部分太陽風帶走,祇有在較低緯度磁力線是封閉的,當迎面而來的太陽風弓激到地球的封閉磁層時,發生磁力線重接,帶電粒子轉成電流,電流循著最外部的封閉磁力線到達磁層頂,再循著封閉磁層與開放磁層的邊界所形成的漏斗形圓柱通道(稱:極尖區,polar cusp)湧進大氣層,極光於是就在這封閉與開放磁層之間的夾縫中發生。

在北極看極光要向南望!

        極光橢圓解釋了為什麼極光帶不在磁極正央,地球磁極附近看不到極光,北極光反而在極帽南面的極光帶出現。儘管如此,在這個極帽內部的「黑暗區域」,仍會閃爍些許「極光雨」,以及一些奥妙未明的黑極光(black aurora),極帽弧(poleward arcs)或跨極弧(theta aurora)等奇妙輝光,祇不過要在衛星上的儀器才能夠偵察得到,更多的謎題尚待科學解釋。圖為北極海濱伊努特人獨特的冰屋(Igloo),相對於野外零下幾十度,你可能不會相信,在冰屋内的感覺異常溫暖,絕對可以做個好夢高枕安眠。

何謂地磁指數(Kp-index)

        極光橢圓告訴你極光最經常出現的區域位置,其強度和涵蓋範圍仍待細說,有一個地磁指數(Kp-index)以0至9級為單位,是測量地磁擾動強度的指數,以極光橢圓涵蓋的緯度範圍來表示地磁活動的強度。

        Kp指數是一個磁情指數,其名字來自德語“Kennziffer Planetarische”,於1938年引用,科學家們在全世界設立有13個磁力記錄計算站,有點類似地震偵測站,用於測量地磁波動,每個站點基於該站過去3小時的地磁活動,推估地磁擾動將到達那些緯度,推斷是否會對地球帶來危險,而我們以之用來描述極光橢圓區域的寬度,愈寬看見極光的機會就愈大,當然,Kp値愈高,極光相對愈強。

地磁風暴

        通常,地磁風暴依Kp値分為5級,從G1(輕微)到G5(極端),Kp値5級及以上被視為地磁風暴,稱為G1級地磁風暴,極光橢圓擴及美加邊境,地面通訊與導航設備亦會受到干擾。假如有一天Kp指數強達9級(即地磁風暴達到G5頂級),極光橢圓將擴寬至美國中部,那時就連紐約甚至法國巴黎都會看到綠娘的風采,也就是「極光紅牆」最有機會出現的時候。


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