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绚丽极光背后的奥秘

2023-12-04 中国科学报
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近日,我国多地出现极光现象。继11月5日新疆等地观测到红色极光后,12月1日,漠河和佳木斯等地再次观测到红色极光,甚至连北京怀柔也有摄影爱好者拍到了红白双色的极光,引发网友热议。

极光的背后

极光的出现与太阳活动密不可分,本次上热搜的极光也是如此。美国空间天气预报中心于12月1日晚观测到G3级地磁暴,主要由一次M9.9(R2中度)耀斑相关的日冕物质抛射(CME)引起。地磁暴偏向东半球,最强中心位于西伯利亚上空,因此在我国高纬度地区可以观测到极光现象。

地磁暴从G1到G5,由弱到强分为5级。这次的G3级地磁暴是一次中等偏强级别的地磁暴,这样的地磁暴每年大概出现几十天。而太阳耀斑由弱到强也分为5级——R1到R5,引发此次地磁暴的耀斑是中等强度耀斑。

在地球磁场作用下,来自太阳的高能带电粒子会涌向高纬度地区,使地球南北两极附近的高层大气分子或原子电离,从而激发出光,在夜间尤其灿烂夺目,这就是极光现象。

太阳风暴虽然会影响无线电通信和导航系统,但其带来的绚烂极光对人们来说无疑是美好的意外收获。美国阿拉斯加的费尔班克斯,因为一年中200多天会出现极光现象,被称为“北极光首都”。而冰岛由于整个国家都在极光带上,成为北半球最受欢迎的极光观测地点之一。

极光变幻莫测,每天都不一样。一般极光在入夜之后会像一条展开的颜色较淡的银河,随着夜色加深,色彩逐渐变浓、变绿,还会出现粉色、蓝紫色和红色。

极光的颜色通常与大气粒子的种类有关。太阳风的高能粒子激发高层(200千米至500千米)的氧原子一般会发红光,激发氮原子一般发蓝到紫光,而到达低层(100千米至200千米)的太阳风粒子激发氧原子主要发绿光。因为人眼对绿光和白光更为敏感,所以我们看到的极光主要是绿白色的。

另外,我们看到极光变来变去,并不是高层大气在运动,而是因为飞入地球大气的带电粒子本身在运动和变化。

在北京也能看到极光

尽管极光主要出现在高纬度地区,但是中低纬度地区也会出现极光,只是频率比较低。其实,通常情况下,北京所在的北纬40度左右地区,每年可能会有几天到几十天能观测到极光。

不过,这只是一个大致的估计,具体数字可能会因地理位置、气候条件和太阳活动的变化而有所不同。

有时极光甚至会在赤道附近的低纬度地区出现,这种现象被称为“极光暴”。这种情况虽然较为罕见,但一些赤道附近的国家和地区确实曾记录到这种现象。这通常发生在太阳活动特别强烈的时候,太阳风的能量能够越过赤道附近的磁场边界,使得极光可见性扩展到低纬度地区。

我国悠久的历史记录里留下了丰富的天象观测记录,其中夜间天象记录到的五色光、神气、赤气、黄白气、火光、赤白色气、赤虹、青气、赤光等现象,一般都是极光现象。以下是一些例子。

“有五色光贯紫薇。”(周昭王元年,约公元前十一世纪,《通鉴外纪》)

“长安东北有神气,成五采,若人冠冕焉。”(汉文帝十四年,公元前166年,《史记·封禅书》)

“日入后,有黄白赤白气东西竞天,光明润泽,久乃消。”(南朝宋明帝泰始二年六月己卯,466年,《宋书·符瑞志》)

“黄白气长丈五尺许,入太微。”(南齐武帝永明四年正月辛未,486年,《南齐书·天文志》)

“夜见赤虹,光照数百里。”(隋文帝开皇十九年,599年,《隋书·长孙晟传》)

“有赤气竞天,其光烛地,经三日乃止。”(唐中宗景龙二年七月癸巳)

“昏,西北有青气三。”(唐肃宗乾元三年六月,750年,《新唐书·五行志》)

“辛未夜,江陵见赤光贯北斗。”(唐代宗即位,其月辛未,762年,《旧唐书·天文志》)

太阳活动的影响不可小觑

太阳活动有11年周期,自1749年开始观测以来,目前太阳活动已经进入第25个周期的高峰期。随着太阳活动日益增强和频繁,与太阳活动相关的电磁暴、高能粒子流、日冕物质抛射活动也日益频繁,容易引起电离层突然扰动,严重时会导致无线电通信中断,影响飞行安全,甚至还会威胁在轨人造卫星和空间站的安全运行。

2022年1月下旬,SpaceX用猎鹰9号火箭发射了50颗星链卫星。当时,美国空间天气预报中心发布了中等太阳风警报,而SpaceX通过高层大气模型预测太空环境是安全的。但是当火箭在217英里(350公里)释放荷载时,其中38颗卫星出现故障,未能爬升到位于340英里(550公里)处的运行轨道,随后快速坠入大气层。

2023年3月24日发生了强度较大的G4级地磁暴,当时在美国南至新墨西哥州(约北纬34°)都可以看见极光,迫使航天公司火箭实验室将发射时间推迟了90分钟。

太阳周期的每个高峰值年持续时间为2到3年,其间的太阳活动会对无线电通信和电力传输网络造成巨大影响。1989年3月的强太阳活动就导致全球卫星和无线电通信信号受到干扰,加拿大魁北克省的供电网络瘫痪、依靠地磁导航的候鸟迁徙受到严重影响。

在未来数月甚至一两年内,太阳活动仍将处于高峰阶段,因此我们还会看到绚丽的极光。在欣赏美丽极光的同时,我们更要密切关注未来的太阳活动,做好空间天气预测与预警,并及时应对。

(作者:魏科,系中国科学院大气物理研究所副研究员)

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