從剖釋與極光有關幾個未解的特性從而揭示極光形成的內在機理的研究

楊益文

溫州市楊氏科技有限公司 浙江 溫州 325000

在地球上看到極光是令人敬畏的,但從太空中看到極光卻是一個傳奇。探索極光的奧秘與學問,引起人們的極大的關注。人們對極光的觀察與探索巳有幾千年的歷史。

有人從地球磁層的角度去研究極光。地球磁層把地球緊緊包住,使地球不受很大的太陽風輻射粒子的侵襲。可是這張“保護網”在南北極上空就不如別的地方密實,這里有許多大的“間隙”,一部分太陽風輻射粒子就乘機進入地球磁層地球磁場形如漏斗,尖端對著地球的南北兩個磁極,因此太陽發出的帶電粒子沿著地磁場這個"漏斗"沉降進入地球的兩極地區。兩極的高層大氣,受到太陽風的轟擊后會發出光芒,形成極光。破水桶理論:極光是溢流出的輻射帶,這是詹姆斯·范艾倫和工作伙伴大約在1962年首先提出的。他們指出在輻射帶內獲得的巨大能量很快就會在極光的漫射中耗盡。不久之后,很明顯地,陷在輻射帶內的都是高能的帶正電離子,而在極光內幾乎都是能量較低的電子,以上觀點均沒有完滿的解釋極光形成的真實原因以及極光的幾個外在的特征:如為什么極光所形成區域是兩極上空形成一個橢圓卵型中空光環(極光區);以及極光出現時的不規則,時有時無隨時變化而難以捉摸的形態;且光幕均為離開地面幾千米至上百千米不等的高空;并經常伴隨著一些至今未為人們知曉的怪聲等一系列未解之謎。故,如要揭開極光形成的內在機理揭開極光神秘的面紗,必須要解釋上面所表述的幾個與極光本為一體不可分割的問題…!透過現象看本質,從而解讀極光形成的內在機理。從外太空或衛星上看地球或太陽糸其他有極光的行星,如木星或土星,發現其極光的位置均在兩極且均為一個中空的橢圓卵型光圈,我們稱之為極光區。如根據以往的理論。兩極如漏斗,帶電粒子流(太陽風)順著地球的磁力線進入,那么該區因有著密集的磁力線與密集的帶電粒子流(太陽風)光束。那么使兩極大氣層的氣體氧與氮發生電離產生能級躍遷放出不同光譜色彩的光子所形成的極光,就應如一束均勻桓久永在不變的光柱或光幕,并在兩極應是相同鏡像般的出現。但根據人們許多年的實際觀測,兩極所產生的極光是毫無相同可言,極光的出現時亦是時有時無沒有任何可以預測的規律,而在高空出現的光幕亦是千奇百變令人無法捉摸的景象,呈現帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,這些形狀有時穩定有時作連續性變化的,而是呈中空橢圓如卵形的光圈。另外,根據破水桶理論所言陷在輻射帶內的都是高能的帶正電離子,而在極光內幾乎都是能量較低的電子,根據經典物理學理論,電子的能級僅為0.5ev,這樣低能級的電子是不可能使大氣層氣體電離。故,探索極光成因的奧秘必需要從地球基本物理特性去分析。地球的內在磁場其磁力線在地球的外部空間形成一張致密的磁網,稱之磁層。當太陽上發岀的帶電粒子流(太陽風)到達地球上空進入磁層時由于洛侖茲力效應,使帶電粒子流產生偏轉,環繞地球作高速圓周運動。根據右手定則原理,這高速環繞地球運動的帶電粒子流感生出一個與地球磁場極性相反疊加在地磁場之上,兩極性相反又疊加在一起磁場必發生作用力與力矩。在兩磁場相互作用區域,兩磁場強度互相抵消湮滅產生“磁重聯效應”或磁力線重聯。磁重聯是天體物理中一種非常重要的快速能量釋放過程,也是磁能轉化為粒子的動能、熱能和輻射能的過程。普遍認為太陽上的能量釋放就是磁重聯導致的。磁重聯,取描述磁力線“斷開”(break)再“重新連接”(reconnect)的物理過程的意思。磁重聯是科學家迄今知之甚少的神秘領域之一,2016年6月21日,中國天文學家首次觀測到了太陽上一個全新物理現象——磁重聯可以釋放“磁紐纏”,當磁結構的紐纏達到一定程度時,開始爆發并釋放出能量。故,由此可見,當地球的兩極兩個極性相反兩磁場猛力疊加,兩磁場磁能湮滅,進而磁結構產生了一個全新的物理現象-磁重聯。磁重聯可以釋放磁紐纏,磁能轉化為非常重要的快速能量釋放過程,也是磁能轉化為粒子的動能、熱能和輻射能的過程。因磁重聯快速所釋放的磁紐纏爆發而釋放的動能增加了帶電粒子流(太陽風)電離大氣層各種氣體的能量,使之成為絢麗多彩各種光譜色彩的帶電的等離子體。由于這些等離子是帶電的,它們的運動軌跡即為電子的運動軌跡。根據“趨膚效應”原理,這些等離子體集中分佈于等離子束的外圍,再者地極兩則必竟不是理想狀態的導體,以及太陽風輻射壓的作用,在地球兩極即各形成了一個中空近乎橢圓卵形的光圈(人稱極光區)。從而可以看出極光的形成與太陽高能帶電粒子流(太陽風)、地球磁層以及由此產生的電離層(或作范艾倫輻射帶中高速動轉電荷而感生的另一個與地磁場極性相反疊加于地磁場之上的磁場等幾者的相互作用)形成一個隨變化而變化且由于磁紐纏使地磁場磁力線扭曲成沒有規律狀態的等離子爆發態。故,在兩極所產生的極光是毫無相同可言,而是時有時無沒有任何可以預測的規律,而出現的光幕亦是千奇百變令人無法捉摸的景象,有呈現帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,這些形狀有時穩定有時作連續性變化無常麗多彩變幻莫測的極光光幕。這里還需要提出的是:因著兩極性相反互相疊加的兩磁場因上述因素的影響,兩磁場磁極相互之間亦作強烈變化,形起其等離子體分子的磁疇不斷重新排列與磁致伸縮,并由此變化的過程發生“巴克好森效應”而發出“噼啪”“卡嚓”或“噓”作響的聲音。這就是兩極毎當出現極光時經常會伴隨這令人毛骨悚然的怪聲。

通過對極光所存在的上述幾個問題的探索及剖釋,就能明了揭開極光形成的內在神秘的機理。現綜述分析如下:當高能帶電粒子流(太陽風)到達地球上空沖擊地球磁層時,由于洛侖茲力的作用,根據右手定則這些高能帶電粒子流(太陽風)在地球上空形成范艾倫輻射帶,并環繞地球高速運轉,這些高速運轉的帶電粒子流(電荷)感生出一個與地磁場極性相反的磁場并垂直疊加于地磁場之上。當兩極性相反的磁場相互作用時兩磁場磁能湮滅并產生了一個全新的物理現象-“磁重聯”磁重聯釋放“磁紐纏”,使磁能轉化為非常重要的快速能量釋放過程,磁能轉化為粒子的動能、熱能和輻射能的過程。因磁重聯快速所釋放的磁紐纏爆發而釋放的動能更增加了高能帶電粒子流(太陽風)電離兩極大氣層各種氣體的能量,使之成為絢麗多彩各種光譜色彩的帶電的等離子體,它們的運動軌跡遵循電子運動軌跡,根據趨膚效應原理,這些等離子體集中分佈于等離子束的外圍,再者地極兩則必竟不是理想狀態的導體,以及太陽風輻射壓的作用,在地球兩極各形成了一個偏離磁極中空近乎橢圓卵形的光圈(人稱極光區)。從而可以看出極光的形成與太陽高能帶電粒子流(太陽風)、地球磁層以及由此產生的電離層(或作范艾倫輻射帶中高速動轉電荷而感生的另一個與地磁場極性相反疊加于地磁場之上的磁場等幾者的相互作用)形成一個隨變化而變化隨有隨無且由于磁紐纏使地磁場磁力線扭曲成沒有規律狀態的等離子爆發態。故,在兩極兩極所產生的極光是毫無相同可言而是時有時無沒有任何可以預測的規律,而出現的光幕亦是千奇百變令人無法捉摸的景象,有呈現帶狀、弧狀、幕狀、放射狀,其形狀有時穩定有時作連續性變化,形成無常的極光光幕。

這里還需要提出的是:因著兩極性相反互相疊加的兩磁場因上述因素的影響,兩磁場磁極相互之間亦作不斷與強烈變化,使其等離子體分子的磁疇亦是不斷變化重新排列,并由此變化的過程就會發出“噼啪”“咔嚓”或“噓”作響的聲音,這就是兩極毎當出現極光時總會伴隨出現令人毛骨悚然怪聲的來源,即“巴克好森效應”。根據上述對極光的系列現象的剖釋與解讀從而得出極光形成內在的機理所在。這不僅符合地球極光形成成因的解釋,且可適用太陽系凡具備磁場,大氣層及太陽風的其他行星兩極極光形成的基本理論。極光是最奇妙的天象之謎。極光多姿多彩,變化萬千,任何彩筆都很難繪出那在嚴寒的兩極空氣中嬉戲無常、變幻莫測的炫目之光。在自然界中還沒有哪種現象能與之媲美…!認識極光,它為人們打開一扇通往世界未知知識的大門,從而認識神秘而浩瀚的宇宙…!