極光是如何產生的

摘 要: 極光是美麗的自然現象，但極光是如何產生的，它的本質是什么，它為什么會出現在地球南北兩極高緯度地區，以及一些高緯度國家，這些問題常常使中小學生產生困惑。本文用高中電磁學的知識加以闡釋，解釋其中的疑問，從而更加激發學生對科學知識的興趣，促進學生科學素養的形成。

關鍵詞: 極光 地磁場 洛倫茲力 產生原因

極光是自然界中最壯美的彩光現象，大多出現在地球南北兩極高緯度地區，以及一些高緯度國家，如俄羅斯、挪威、加拿大北部等，那里平均每年出現極光的次數多達百次。極光多種多樣，五彩繽紛，形態不一，有的像寬闊的幕簾，有的像舞動的游蛇，有的像跳躍的火焰，有的像四散的百褶裙，美麗非凡，搖曳生姿。極光絢麗多彩，變幻莫測，如同一個靈幻的精靈，把夜空裝點得綺麗無比。那么，極光是怎么形成的呢?它為什么總是出現在高緯度地區的上空呢?要回答這些問題，必須首先了解地磁場、洛倫茲力等知識。

1.地磁場

地球是一個大磁體，地球本身及其周圍空間存在著磁場，叫做“地球磁場”，又稱地磁場，其主要部分是一個偶極場。地球的磁場與條形磁體的磁場相似，其主要特點有三個:(1)地磁場的M極在地球南極附近，S極在地球北極附近，磁感應線分布如圖1所示。(2)地磁場B的水平分量B總是從地球南極指向北極，而豎直分量B則南北相反，在南半球垂直地面向上，在北半球垂直地面向下。(3)在赤道平面上，距離地球表面相等的各點，磁感強度相等，且方向水平向北。

2.洛倫茲力

1895年荷蘭物理學家洛倫茲總結運動點電荷在磁場中受力的規律，得出洛倫茲力公式:

F=qvBsinθ。

洛倫茲力的大小跟電荷的電量q，運動速度v，磁感應強度B，以及速度方向和磁感應強度的夾角有關。洛倫茲力的方向可由左手定則判定。

一個電量為q(設q>0)、質量為m的粒子，以初速度v進入磁感應強度為B的勻強磁場。在忽略重力的條件下，其運動規律可以有以下三種情況:

(1)若v與B同向，則洛倫茲力為零。帶電粒子作勻速直線運動，不受磁場影響。

(2)若v與B垂直，則F=qvBsin90°=qvB。F的方向與v及B均垂直，即帶電粒子時時受到一個與速度v垂直、大小不變的力的作用，故粒子作勻速圓周運動，洛倫茲力F就是作圓周運動所需的向心力。由牛頓第二定律可得:

沿B的方向作勻速直線運動。當兩個分量同時存在時，粒子的軌跡將成為一條螺旋線，如圖3所示。其螺距h(即粒3.極光的產生原因

科學家們經過多年的研究推測，極光生成之謎與太陽有關，它是太陽風暴與地球磁場相互作用的結果。每當太陽黑子劇烈活動時，太陽就會釋放出大量的熱氣體、輻射和能，并形成猛烈的太陽風暴。太陽風在地球上空環繞地球流動，以大約400km/s的速度撞擊地球磁場。當太陽輻射出的帶電粒子從赤道上空進入地磁場時，我們設粒子的速度方向與磁感線成θ。由于地磁場從赤道到兩極越來越強，即磁感強度B的值越來越大。由r=不難看出，隨著B的變大，圓周的半徑越來越小，如圖5所示。這樣大量從赤道上空進入的帶電粒子被地磁場俘獲后都做半徑越來越小的螺旋線運動，最終會落到地球兩極上空的大氣層中，使大氣層中的分子電離發光，于是人們便看到了瑰麗的極光。

形成極光必不可少的三個條件是大氣、地磁場和太陽風。具備這三個條件的太陽系其他行星，如木星和水星，它們的周圍也會產生極光，這已被實際觀察的事實所證明。從科學研究的角度，人們將極光按其形態特征分成五種:一是底邊整齊微微彎曲的圓弧狀的極光弧;二是有彎扭折皺的飄帶狀的極光帶;三是如云朵一般的片朵狀的極光片;四是面紗一樣均勻的帳幔狀的極光幔;五是沿磁力線方向的射線狀的極光芒。當然，極光也還有許許多多沒有解開的迷。

參考文獻:

[1]梁紹榮，管靖.基礎物理學[M].北京:高等教育出版社，2002.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京:高等教育出版社，1985.