天地畫卷一一極光（下）

天地合作的畫卷

極光到底是如何產生的呢？先讓我們將視角轉向地球的內部。我們腳下是地殼，再往下是地幔——這些區域都是堅硬的巖石。我們繼續向下，在距離地面約2900～5100千米的地方，一切都變得不一樣了。這里是地球的外地核，組成這部分的主要物質是熔化的鐵、鎳等金屬元素。從外地核再向內，地球的內地核里同樣充滿了鐵和鎳，只是難以想象的巨大壓力讓這些金屬再次變成了固態。也就是說，我們的地球擁有一顆“鋼鐵之心”！

地球自轉，其實地核也在不停地旋轉。根據現有科學理論，內外地核中存在大量金屬離子和自由電子，由于外地核為液態、內地核為固態，地球自轉過程中內外地核的轉速不同，從而產生了定向的電流。根據電流磁效應的原理——任何通有電流的導線，都可以在其周圍產生磁場，地球就產生了磁場。

地球結構

磁場并不能被看到，但它對我們的影響卻不小。指南針是我們對地球磁場的應用。很多動物都會感受到磁場，并利用磁場導航。例如鴿子等鳥類萬里歸巢就是利用了磁場。如果地球磁場能被看見，它就像一個兩端向內凹的無數層的洋蔥。

這和極光有什么關系呢？別著急，現在我們再抬頭看向天空，一顆耀眼的太陽正懸掛在天邊。這顆距離我們1.5億千米遠的恒星通過劇烈的核聚變給我們提供了光和熱，滋養著地球上的萬物。但是太陽產生的可不僅僅是光和熱，還有大量的帶電粒子，這些帶電粒子以200～800千米／秒的高速沖向宇宙空間。這些被太陽拋向宇宙的物質被稱為太陽風。在太陽輻射中，太陽風所占據的能量很小很小，但它幾十億年來從未間斷地吹拂著整個太陽系，就成了描繪極光的“畫筆”。

我們再來欣賞一下這幅天地巨畫的創作過程：這些帶電粒子飛行了上億千米來到地球，并以大約400千米／秒的速度撞擊地球磁場，巨大的能量甚至會改變地球磁場的形態。而靠近南北極的帶電粒子會在地球南北極漏斗形的磁場引導下旋轉著向地球沉降。在地球磁場與太陽風不斷對抗的過程中，這些在南北極沉降向大氣的高能粒子與大氣中的粒子碰撞激發出新的光芒與色彩，這就是極光。從地球外觀察，極光像一個皇冠呈圓環帶狀分布在地球的南北極上空。這就是為什么極地高緯度地區是最常見到極光的地方。

在不同的高度，極光呈現出的顏色也不一樣。首先，處在地球上空200～400千米高度的氧原子與這些帶電粒子相遇的時候，會吸收這些天外來客的能量，而吸收不掉的那部分就會被快速釋放出來，形成紅色的光芒。由于這部分極光產生的高度很高，因此更容易被距離更遠的中緯度地區的人們看到——也就是說，在我國境內見到的多是這樣的紅色極光。之后，這些帶電粒子降到200千米以下的高度，更頻繁的碰撞讓氧原子釋放出綠色的光芒，這也是我們在各種視頻和照片中最常見到的極光顏色。這些帶電粒子繼續向下，在100千米左右高度與氮分子相遇，就會產生藍紫色的極光。

大氣中的粒子分布不均勻，太陽風也時強時弱，加之這些帶電粒子在沉降的過程中形態也在發生改變，這就讓極光的形態千姿百態，還擁有明暗的變化和顏色的混合，顯得如夢如幻。

現在你明白了吧？極光產生的全過程可以這樣來描繪：太陽噴射出的高速帶電粒子就像是_支筆，在磁場的引導下，以太氣為紙，以大氣粒子被激發形成的各色光為顏料，繪制出天地壯闊的極光畫卷。

極光現象不是地球獨有的喲！強大的磁場、濃重的大氣甚至是太陽風猛烈的沖擊，也會讓其他行星產生極光。人們已經在金星、木星、土星、天王星等行星上觀察到了極光或者類似極光的現象。

保護地球的磁場

這幅畫卷除了美麗，還有重大的科學意義。其中的關鍵就是太陽揮舞的這支“畫筆”。太陽活動有自己的變化周期——太約是11年。它比較活躍的時候，就會有更多物質被拋射出來。而太陽變得活躍的一個標志就是太陽耀斑——位于太陽大氣中的—種強烈的能量和物質的釋放。與此同時，日冕物質拋射現象會將數億噸的物質拋射到宇宙中。此時的太陽風會威力大增，就像是徐徐微風突然轉變為狂風大作，這些物質與大氣粒子的碰撞也會更加劇烈，產生更明亮、范圍更大的極光現象，所以雖處于中緯度地區，我們在國內也能看到極光。

這種“太陽風暴”會對太空中的人造衛星、太空站、航天器產生危害，也會對地球磁場產生重大的影響——產生地磁暴，甚至會對地面上的電網系統產生影響。因此我們需要加強對太陽的觀察，既要觀測它的日常動向，也要關注它的特殊變化。為此，我國于2021年發射了首顆太陽探測科學技術試驗衛星一一羲和號。我國還開啟了監測太陽的衛星計劃一一夸父計劃，實施了空間天氣預報系統，于2022年發射了首顆綜合性太陽探測衛星一一夸父一號。這些都為我們能夠摸清太陽的“脾氣”提供了巨大幫助。

說到這里，極光的故事還沒有結束。難道太陽的帶電粒子流與磁場的共舞僅僅就是在地球上繪成了一幅巨畫嗎？當然不是。太陽風有著摧枯拉朽的力量，它的能量會一點點帶走行星上的空氣，最終讓沒有大氣保護的行星變得一片荒涼。而磁場最重要的作用就是保護地球大氣免受這些帶電粒子流的侵襲。如果地球沒有磁場，那么結局很可能如同火星，只剩下一片荒原，生命的誕生與演化無從談起。所以說，我們要感謝地球磁場，美麗的極光，其實也是地球磁場激烈抵御太陽風的戰場！