極光：地球電離層與磁層之間的“光之紐帶”

若以發生區域對極光進行分類，可以分成3類：發生在日側高緯地區的極光，來源粒子主要是經由極尖區進入，起源于太陽風與磁層的相互作用；發生在夜側較低緯度地區的極光，主要是由來源于等離子體片的粒子激發；發生于更低緯度區域的極光，是由來源于環電流的粒子所激發。

近日，國外科學家發現，太陽風與火星電離層的作用導致了火星彌散極光的出現，彌散極光是極光中的一類，在地球上也非常常見。

一般來講，太陽活動高峰年的時候更容易出現極光。同時，太陽黑子數與地磁活動指數（表征極光活動強度的數值）之間的對應關系表明極光是如何產生的，黑子數多的時候，極光的強度也明顯增大。夢幻般的極光，可以說是地球磁層與電離層之間的“光之紐帶”。

極光是如何產生的

極光是因高能帶電粒子進入大氣層時轟擊大氣層中的分子或者原子產生的。

具體來講，高能帶電粒子撞擊大氣層原子或分子時，被原子核束縛的電子在獲得能量后，從穩定的基態躍遷到能量較高的激發態，但并不足以脫離原子核的束縛而逃離。當這個處在激發態的電子由于其不穩定性而回落到基態時，會以光子的形式釋放出能量。能道之間的能量差決定了光波的頻率。當光波的頻率落在可見光范圍內，就成為我們看得見的極光了。

粒子從何而來

這些帶電粒子從何而來？要知道，地球電離層外的磁層是地球磁場與太陽風相互作用而形成的，其內部存在著分布在不同區域的不同類型粒子。比如地球附近的等離子體層是比較冷的等離子體聚集地，這些等離子體充斥在電離層外2—5個地球半徑范圍內；等離子體片分布于距離地球4—10個地球半徑以外的赤道面附近；極尖區的等離子體則存在于一個漏斗狀的區域，是太陽風粒子進入磁層和電離層的通道；另外，還有輻射帶、環電流等粒子分布區。

這些區域內的帶電粒子充斥著整個磁層空間，都是進入大氣層的粒子來源。若以發生區域對極光進行分類，可以分成3類：發生在日側高緯地區的極光，來源粒子主要是經由極尖區進入，起源于太陽風與磁層的相互作用；發生在夜側較低緯度地區的極光，主要是由來源于等離子體片的粒子激發；發生于更低緯度區域的極光，是由來源于環電流的粒子所激發。

除了激發作用，這些粒子對地球大氣層也有電離作用。電離指的是電子徹底脫離原子核的束縛而逃離。大氣層發生電離的原因主要有：太陽輻射和從磁層進入大氣層的沉降粒子。太陽輻射不同波段的光波，具有不同的能量。比如紫外線能電離大氣層中的分子和原子。

除了太陽輻射，磁層粒子沉降可以進一步引起大氣層的電離。引起極光的粒子，就可以引起高度在100—200公里大氣層的有效電離。

磁層和電離層之間的其他聯系

當然，除了極光這一紐帶之外，磁層和電離層之間還通過其他形式，比如通過等離子體對流、場向電流、電離層粒子逃逸等形式緊密聯系在一起。

首先是等離子體對流的關聯性。太陽風與地球磁場作用后形成磁層，在南向行星際磁場的作用下，日側磁層頂發生磁重聯，磁力線重新連接并且在太陽風的作用下往夜側運動。在夜側磁尾磁重聯再次發生，從而使磁力線拓撲結構再次變化。閉合的磁力線往地球方向運動，并回到日側。在磁運動過程中，因為等離子體凍結在磁力線上，磁層里的等離子體對流同樣出現在電離層。因此，在高緯地區等離子體從日側向夜側運動，隨后從低緯返回日側，形成了兩個對流圈。

第二個聯系方式是通過場向電流關聯。場向電流從磁層流入電離層，再從電離層流出來進入磁層，是磁層和電離層的橋梁，傳輸著彼此之間的能量和物質。

第三種聯系方式是通過電離層粒子逃逸進入磁層而關聯。前面幾種聯系方式均為磁層往電離層輸運能量，是磁層對電離層發生作用。而相反地，電離層對磁層的影響則是通過粒子外流。電離層的粒子密度較大，這些粒子往太空逃逸，進入磁層，是磁層里面等離子體的主要來源物質。