利用高中物理所學知識解釋極光現象

齊文明

1.引言

極光（Aurora），是一種絢麗多彩的發光現象，其發生是由于太陽的高能帶電粒子流（太陽風）進入地球磁場，在地球南北兩極附近地區的高空，夜間出現的燦爛美麗的光輝。在北極被稱為北極光，在南極被稱為南極光。太陽光與地球大氣的相互作用無時不刻的發生著。在日間，日光激發地球大氣的原子、分子和離子，使它們激發或電離;到晚上，電子由高能級回到低能級，發射不同波長的光。此外，由于太陽給地球帶來的不僅是光線，還有粒子。太陽風就是一種持續的粒子流，不但經過地球、其他行星，甚至最終到達太陽系外。不時發生的太陽耀斑、日冕物質拋射等現象，還會拋來高速的粒子，形成壯觀的極光。地球的極光是太陽風使高層大氣分子或原子激發（或電離）而產生。美麗的極光是太陽風、地球磁場和大氣層共同作用的結果。太陽風中高能帶電粒子的能量、數量和大氣層中不同高度處不同原子、分子的特性直接決定著極光的顏色和強度。入射離子的能量高低決定了粒子能夠沖入大氣的深度。在不同的高度碰到不同種類的氣體分子便會產生不同的顏色。極光的顏色有紅、綠、藍、紫等，絢麗多彩，大家并不一定親眼見過極光，但在一些影像資料里都被極光的絢麗多彩所吸引。極光大多出現在地球南北兩極附近，這是由于地球磁場的影響。本文擬通過高中物理所學的知識來解釋極光為什么大多出現地球南北兩極附近。

2.理論解釋

想要解釋極光出現在地球兩極附近的原因，我們首先要來了解地球的磁場。地球磁場是地球周圍空間分布的磁場，是地球生命的保護傘。我們可以把地球視為一個巨大的磁鐵，其中地磁北極大致在地理南極附近，地磁南極則在地理北極附近。這兩極所產生的球體磁場即為地球磁場。磁感線分布特點是赤道附近磁場的方向是水平的，兩極附近則與地表垂直。赤道處磁場最弱，兩極最強[1]，如圖1所示。太陽風是高能帶電粒子，進入地球磁場后，與大氣層中的分子和原子發生碰撞，使之成為激發態的離子，并發射出不同波長的輻射。地球中性大氣的粒子能量較低，而從宇宙空間來的能量較高的粒子會對它進行碰撞、激發。能量較高的粒子往往帶電，帶電粒子在磁場中要受力偏轉，所以我們地球周圍的磁場對我們是一個保護，把充斥在宇宙空間中、對我們人體有害的高能量粒子擋在外邊[2]。太陽發射的帶電粒子并不是直線行進的，它會在地球磁場作用下沿曲線軌跡移動。由于地球磁場的作用，大多數帶電粒子會偏向地球兩極，僅有少數高速粒子能夠到達赤道上空的大氣，這就如同是在地球周圍搭起了一個隱形的保護罩。為什么大多數帶電粒子會偏向地球兩極呢？下面我們就用所學過的高中物理知識來解釋。

我們在新課標高中物理選修3-1第三章磁場中學到[3]，運動的電荷在磁場中會受到洛倫茲力的作用。運動的帶電粒子在磁場中所受的洛倫茲力的方向，與運動方向和磁感應強度的方向都垂直，它的指向可以依照左手定則判定：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內;讓磁感線從掌心進入，并使四指指向正電荷運動的方向，這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。如圖2所示。負電荷受力的方向與正電荷受力的方向相反。一般情況下，電荷量為q的粒子以速度v運動時，當電荷運動的速度方向與磁感應強度方向夾角為θ時，電荷所受的洛倫茲力為

F=qvBsinθ（1）

沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。

從地磁場的示意圖1中我們可以觀察到，在地球的赤道附近，磁感線的方向大致與地球表面平行，當太陽風進入地球赤道上方的大氣層時，帶電粒子由于受到洛倫茲力的作用而發生偏轉，可以近似認為帶電粒子做圓周運動，圓周的軌跡與地球赤道平面平行。太陽風由于受到了洛倫茲力的作用，這些粒子與大氣層中分子、原子的電離并沒有穿過大氣層進去到我們的眼睛，所以在赤道附近的區域并不能看到極光現象。而在地球兩極附近，由于地球的磁感線近似垂直于地球表面，帶電粒子與磁感線的方向近似平行，可以用左手定則判斷，這時帶電粒子所受的洛倫茲力的大小近似等于零。換句話說，在地球兩極附近，太陽風與大氣層中粒子電離的粒子更容易穿越大氣層到達地球表面，所以在地球兩極附近更容易觀察到極光現象。也就是說，激發極光的高能粒子需要沿著磁感線飛行，其所沿著的磁感線發源于南北兩極附近的區域，所以極光更容易出現在南北兩極附近的區域。這就是為什么在南北兩極附近，我們更容易觀察到美麗的極光現象。

3.結論

本文通過高中物理所學的知識-洛倫茲力解釋了極光現象容易出現在地球兩極附近的原因，解釋的方法通俗易懂，思路清晰。極光現象是較為復雜的物理現象，現代的物理學家們仍舊對其的產生和形成進行著深入的研究。本文利用新課標高中物理選修3-1中磁場這一章中洛倫茲力的定義解釋了極光出現在地球兩極附近的原因，用較為簡單的理論清晰的解釋了極光現象的相關物理原因，為利用高中物理知識來解釋天文現象提供參考。

參考文獻

[1]田京祥，礦產資源，山東科學技術出版社，2013.

[2]韓金鵬，極光為什么出現在南北兩極附近的圓形區域，中國航天報，2018年6月23日第004版.

[3]張維善，普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-5，人民教育出版社，2018.