“你生在太陽吹來的風中”，K歌談極光

吳進遠

極光是一種美麗迷人的自然現象，看到極光據說是人生四大夢想（另一個版本說是七大夢想）之一。同時，看極光也是許多高端旅游產品的賣點。不過，要想看到真的極光，必須了解極光是怎樣產生的，極光有什么特點，如何與晨曦、晚霞或者月光相區分。

在這篇文章里，我們首先討論極光產生的機制，然后與大家分享作者在一次坐飛機時拍攝到的極光照片，并且介紹拍攝的要點與經驗。

作者利用這些照片制作了一個視頻，并且將有關知識寫成了一首歌。讀者可以以此作為中小學科學課的教學素材，也可以當作業余文娛活動時合唱曲目（文后附有詞曲），乃至作為廣場舞的伴奏（不是開玩笑，作者確實在作品中設計了很酷炫的節奏變化）。

此外，作者希望這首歌成為一塊引玉的板磚，期待見到其他科普作者創作出更多更好的科學普及歌曲。

01 極光的生成機制

關于極光產生的機制，有很多細節人們仍然不清楚，不過有一點已經得到確認，那就是極光的能量是由太陽風提供的。

太陽風是太陽向周圍噴射的帶電粒子，其中主要的成分是質子。我們平時看到的太陽好像是個溫火慢燒的煤球，可是實際上太陽內部的能量轉換過程非常劇烈。太陽活動會在太陽表面產生高達數萬千米的熾熱氣流，將太陽的物質向外拋射，每秒能拋出800千克左右。

需要注意的是，不要將太陽風與太陽光混淆，太陽風的粒子也不是以光速飛出來的。太陽風的速度在200千米/秒至900千米/秒，飛到地球需要幾天時間，而太陽光到達地球只需要8分鐘。

太陽風的粒子到達地球附近后并不會直接砸下來，因為我們的地球有磁場。太陽風的帶電粒子進入地球磁場后就受到洛倫茲力，開始拐彎。洛倫茲力總是與帶電粒子的運動方向相垂直，因此并不會使它的能量損失，但能改變它的方向。在地球磁場的作用下，太陽風粒子大部分將繞過地球，而不是吹到地球上。

由于太陽風是帶電粒子，如此大量的帶電粒子運動將形成很大的電流，產生一個大尺度的磁場。這個磁場與地球自身的磁場疊加，使得地球周圍空間總磁場的形狀像一個快速游泳的水母——有一個扁球狀的頭，后面拖著一個長長的尾巴。

地球上的生物，從恐龍到人類，都應該感恩地球的磁場。如果沒有磁場會怎么樣呢？一個活生生（確切說：死翹翹）的例子就是我們的“鄰居”——戰神火星。有科學家認為，火星在約40億年前失去了磁場，于是太陽風就把火星表面的氣體分子吹走了。現在，火星表面大氣壓強約6百帕（hPa），而地球表面大氣壓強約1000百帕。如果地球磁場沒有了，我們周圍的大氣最終也會被太陽風吹走，變成像水果罐頭瓶里那樣的近似真空。

當然，大氣丟失有一個過程，不至于我們哪天上著班或者睡著覺，周圍就一下子變成了真空，我們就都原地爆炸了。不過，我不很清楚，在大氣逐漸被太陽風吹走的這段時間里，有沒有地面的生物來得及進化成為可以在低壓中生存的物種，或者在地下水體中生存的生物，并且一直存活下去。前不久，科學家在火星冰蓋下發現了冰下湖，相信人們在不久的將來，就能知道那里是不是存在生物了。

好了，我們不要再開腦洞想象不太會發生的災難了。讓我們回到現在，繼續欣賞談論美麗靜好的極光。太陽風的帶電粒子來到地球的外層高空，磁場施加在這些運動著的帶電粒子上的洛倫茲力，使得它們拐彎，可以想象其中會有一部分在磁場中繞著圈地轉。高空大氣被電離以后，有的電子也可能從太陽風獲得能量，在磁場中繞圈。這些帶電粒子可能具有一定的向南或向北的初始速度分量，于是它們就會沿著像牽牛花藤一樣的螺旋軌跡，向北極或南極運動。

在靠近兩極的地方，地球的磁場比較強，因此，帶電粒子運動軌跡的半徑就會越來越小。這樣一來，帶電粒子運動的空間就狹窄了，相應密度就大了。地球磁場就像漏斗一樣，讓巨大外層空間中的帶電粒子，集中到南北極的上空。

當然，大部分帶電粒子并不會打到兩極的地面上。因為兩極附近的磁場是漏斗形的，帶電粒子轉圈時，受到的洛倫茲力有向上的分量。這個向上的分量使得粒子向下運動的速度逐漸變慢，最終向上飛回去。這種現象叫作磁鏡效應。

存在于北極與南極上空的這些帶電粒子，在運動中會與大氣中的分子與原子碰撞，使之被激發，達到較高的能級。當被激發的原子回到基態時，釋放出一定能量的光子，就形成了極光。根據原子激發態與基態之間能量差的不同，放出光子的能量也不同，而光子的能量與光的頻率成正比，因此我們可以看到不同顏色的極光。

在極光的光譜當中，最主要的是558納米的綠光，這是氧原子發出的。原子態的氧存在于高層大氣，而在100千米高度以下含量急劇減少。因此，很多時候極光都有一個清晰的下部邊界，像是一幅裁剪整齊的幕布。

02 極光拍攝的要點與經驗

太陽風強弱的變化與地球的季節沒有簡單確切的關系，因此極光在任何季節都可能看到。大多數情況下，極光的亮度比較暗，要在天色全黑的情況下才能看到。在夏季，尤其是接近夏至期間，高緯度地區日照時間很長，夜間很短，在北極圈之內甚至會出現極晝，太陽24小時不落，這樣就不可能看到極光。如果單考慮黑夜時長，固然冬季最佳，但是冬季去高緯度地區恐怕太冷了。因此，綜合考慮起來，春秋季是比較折中的時段。