天幕上的魔幻舞者──極光  

本文經過部分修改刊載於「大地地理雜誌」2001年四月號

陳文屏  中央大學天文所與物理系

在極區的天空,可以看到大自然最絢爛的極光美景,這些從天而降的繽紛光簾,有時變幻詭譎,有時靜止沈潛。筆者幾年前曾經在飛越北極區的飛機上,看過難忘的奇景。到底極光是什麼東西呢?造成極光的原因是什麼?要敘述這一幕美麗場景的劇情,得把鏡頭拉出北極、拉出地球,從一億五千萬公里之外的太陽說起。

 太陽是團高溫的氣體。在中央區域溫度極高,足以讓氫氣融合在一起,產生核反應,形成氦氣而釋放出能量,這些能量以輻射與對流翻騰的方式向外傳播,越到外層氣體越稀薄,溫度也越來越低。最後,溫度降到約攝氏五千多度,氣體稀薄到能量以光的形式釋放出來,射向四周太空。少部分的光照射到地球,提供了生命所需的光與熱。

 但是太陽發出來的不只是光線而已。

 我們平常能夠用指北針辨識方向,是環繞在地球四周的磁場造成的。太陽也和地球一樣,有如南北向的大磁鐵,太陽表面也佈滿了磁場,高溫的氣體彼此高速碰撞,多半已經分解成帶電粒子,偶而會沿著磁場向外拋射(圖一),部分掉回太陽,部分則脫離太陽的萬有引力而拋射向太空,成為太陽風。組成太陽風的帶電粒子以高速運動,瀰漫在整個太陽系裡,連遙遠的冥王星都在太陽風的勢力範圍之內。

 這一天,太陽表面局部磁場結構忽然發生異常變化,一股巨大能量從表面噴出,剎那間氣體劇烈翻騰,直向上衝。這股高能量氣體以每秒數百公里的速度向外噴射,這個速度相當於百萬公里的時速,也就是約一秒鐘就能從台灣最南端走到最北端。這些高速氣體將於兩、三天後抵達地球,而同時離開太陽的光線行走的速度更快得驚人,以每秒30萬公里的速度只花了8分半鐘就已經率先到達地球了。

   

 觀察彗星可以明顯看到太陽風的效應。當彗星接近太陽時,冰體蒸發受到太陽風的吹襲,便在背向太陽的方向(下風處)拉出迤邐億萬公里的彗星尾巴。除了來自太陽以外,太空中還有其他高速帶電粒子,稱為宇宙射線,這些粒子具有很大的破壞力,因此太空船必須要有完善的遮蔽,以保護太空人及儀器。當太陽風吹到地球時,要是地球沒有大氣層與磁場的保護,像是水星及月球那樣,以致於這些粒子直接侵襲地表,會讓地表的生物毫無生存機會。幸好地球得天獨厚,擁有這兩項護身法寶。

 太陽風吹向地球時,被地球磁場(如圖二)改變方向,而侷限在赤道上方兩個輪胎狀範圍內,稱為「范艾倫輻射帶」(圖三),乃為紀念美國物理學家詹姆斯•范艾倫於1958年首先發現此區域而得名。內層范愛倫帶從地面算起2000公里高空延伸到約5000公里,主要包含了質子,而外層范愛倫帶則從約10,000公里延伸到22,000公里高空,主要含了電子。

當帶電的粒子進行的方向與磁場垂直時,粒子會受到磁力作用,而繞著磁場轉圈,而若是粒子沿著磁場方向行進,則不會感受到磁力。所以,若帶電粒子與磁場斜向交會,粒子便會沿著磁場螺旋前進。

   

帶電粒子行進若與磁場垂直,會繞圓圈運動 帶電粒子通常斜向入射,因此會以螺旋方式沿著磁場運動。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

地球怎麼會有磁場呢?一般相信地球的磁場並非來自一大塊磁鐵,而是來自地球內部的電流。地球中心溫度、壓力都極高,物質成流體狀態,受到對流的驅動,而產生電流,因而產生磁場,就如同通電的電線周圍會產生磁場一樣。計算顯示這些流體差不多50萬年左右會倒轉方向運動,造成地磁方向反轉。由於火山岩漿冷卻後,會保留當時磁化的訊息,測量百萬年前的火山岩層發現其磁化方向與現今相反,而兩百五十萬年前的火山岩層其磁化方向則與現在相同,這表示地球過去確實發生過磁場倒轉的現象。

 

 

 

 

 

 

  

 

 

有時候粒子會從范愛倫帶滿溢出來,沿著南北磁極衝進地球高層大氣,將地球本身大氣裡的氣體激發而發光,這就是極光。從太空看極光的分布常呈圓環狀(圖三)。對於地面上的觀測者,在接近極區處,由於磁場幾乎垂直地面,因此極光如垂簾般由天而下,一般則可以是斜向分布。極光的變化多端,除了大氣不同的成分會激發產生不同顏色外,有時虛浮飄動像是太極舞者,有時靜止不動像是入定老僧,有時垂天撒下像是舞台上的彩花道具,有時絲條飄盪有如名伶提袖,是地球大氣劇場最魔幻的演出。

圖三

 

 極光發生在150400公里的高空,也就是地球大氣的電離層。綠色的光芒主要來自發光的氧氣,而紅色則來自氫氣。氣體受激發而發光的原理,與平常的日光燈是一樣的。大氣中的氣體被衝擊後,會繼續撞擊,而相繼產生一批又一批高能量的粒子。當太陽表面異常活躍時,太陽風特別強烈,極光也比較明顯而豐富,甚至在地面中、低緯度都可以看得到。大規模的帶電粒子襲擊地球,會影響電波通訊,對人造衛星甚至供電纜線造成破壞。

 

 極光的成因來自太陽風與行星磁場的交互作用,因此不是只有地球上才有。木星與土星與太陽的距離是地球離太陽的5倍與10倍,由於它們磁場強,在南北兩極也可以觀測到明顯的極光現象(圖四)。

 

圖四:土星兩極也有極光現象。

 極光的英文為polar light,學名為aurora,取自羅馬的曙光女神。地球的磁場與大氣層隔絕了來自太空的有害高能粒子,我們與蒼生萬物受到了保護卻毫無所知,錯綜的天地交會只在天幕上展現令人嘆為觀止的幻化奇景。在物理與化學知識背後,我們除了感嘆萬物之妙,並沒有因為明瞭箇中道理而損害了欣賞的心情,而只有慶幸的感恩情懷。

 陳文屏 2001.03.09

感謝中大天文所姜博識與陳錦威幫忙準備部分圖形檔案。