雷獸科

[拼音]：jiguang

[英文]：aurora

由來自磁層或太陽的高能帶電粒子撞入極區高層大氣所激發的發光現象。在北半球，人們總是從北邊天空看到極光，稱為北極光。南半球看到的極光稱南極光。

早在2000多年前，中國就有了用肉眼觀測極光的記載。18世紀，俄羅斯科學家羅蒙諾索夫(М.В．Ломоно-сов)用詩歌生動地描繪過極光發生的情景。1867年，埃斯特羅姆（A.J.Angstr╂m）第一次用攝譜儀記下了極光光譜。1939年，挪威學者韋加德(L.Vegard)在極光中發現了氫原子光譜，隨後證實了質子極光的存在。隨著火箭和衛星探測手段的出現和光學、無線電等觀測儀器的改進，人們對極光的認識更加深入和全面。

分佈

在地球上，夜間極光出現在圍繞地球磁極並離極約23°的帶形區，實際上它是位於地球上空整個極光卵的一部分。衛星觀測表明，地球南北磁極附近各有一個始終存在的極光卵(圖1)，它在磁靜時收縮，背陽面午夜區在磁緯70°的110～120公里上空盤旋，向陽面在磁緯75°的 170公里上空盤旋。磁擾增強時，極光卵向赤道方向擴大，它的背陽面可伸到磁緯60°甚至50°以南，向陽面可伸到磁緯70°。極光卵不隨地球旋轉，而地球在它底下每天轉動一圈。一般稱夜間極光卵經常居留其上空的地帶為極光帶。北極光帶穿過斯堪的納維亞和冰島北部、格陵蘭南部、哈得孫灣南部、阿拉斯加中部和西伯利亞北部海岸。南極光帶大略圍繞南極洲海岸。因為極光發生在 100公里以上高空，在良好氣象條件下，最遠可在1000公里遠處望到，所以位於磁緯67°～76°的人，在每個晴朗的傍晚和凌晨可以看到。76°以上極區，每天中午都有極光，但是，只有在白晝最短的冬季一些晴朗日子才能用肉眼看見，稱日照極光。

照像和雷達觀測均表明：極光活動有晝夜和季節起伏，活動最大值在 23點和春秋分季節（3～4月和9～10月）；極光活動有27天週期和11年週期變化。由於極光和地磁擾動均集中在極光帶上空，這就使我們相信，來自太陽活動區的高速帶電粒子（電子、質子）能通過地球磁場活動進入極光帶高空。

形態

極光景色壯觀，絢麗多姿。如果從地面上觀察，極光可分為4種幾何形狀：

（1）均勻的較穩定的光弧光帶，它們沿磁緯方向分佈，極蓋區近似沿太陽方向，厚度幾公里至幾十公里，長達1000公里，移動速度慢，氧原子綠線強度約幾萬瑞利；

（2）帶有射線式結構的光簾幕、光弧、光柱和光帶等，日冕狀光塊也屬於這類。它們沿磁力線方向分佈，平均厚度約200米，並隨亮度增加而變薄，長數十至數百公里，移動速度快(50公里／秒)，氧綠線強度在100萬瑞利以內；

（3）瀰漫狀極光主要指雲形斑塊群，沿磁緯方向分佈，每塊光斑面積在100平方公里左右，亮度最低，氧原子綠線強度約幾十瑞利，只有很強的瀰漫狀極光，才能被肉眼看見。

（4）大的均勻發光面。常見的紅色極光光面就屬於這一類。如果從衛星上拍照，通常只能分辨出兩種極光：結構清楚的極光和瀰漫狀極光。前者主要是射線式結構的光弧、光帶、光柱和簾幕，它們比較明亮；後者指雲形斑塊和弱的光弧、光帶。

常見的極光形態如圖2。其形態是變化的。極光開始時常常是均勻弧，亮度不隨時間變化，後來亮度逐漸明顯增加，均勻弧分裂成射線式結構，而後是簾幕狀極光或極光冕；快速向上移動的火焰式極光，往往出現在極光冕之後。有的極光則是脈動式的。

光譜

有下列幾種型別：

（1）屬原子禁線，指原子激發到亞穩態而發出的壽命長和躍遷機率小的譜線。如常見的OI(1D－1S)（5577埃）、OI(3P－1D)（6300埃和6364埃）、NI(2D－2P)（10395埃和10404埃）等，有較強的譜線強度，容易測定。

（2）屬原子允許線，指按量子力學選擇定則確定的譜線，它一般表明原子激發到低的能量狀態，如OI(35P－35S)（7774埃和8446埃），該譜線在高極光中相對強些。也有激發到較高狀態的原子允許線，但強度太低，不容易從噪聲背景電平上將它們區分出來。

（3）是分子帶系，這裡最強的帶系是分子允許帶躍遷造成的，如氮分子離子N娚第一負系（3914埃、4278埃和4709埃，在充氮的放電管內，該離子發生在負極）和邁納爾帶(紅－紅外)。分子禁帶躍遷造成的譜帶較弱，如位於藍光到紫外區的N2維加德-卡普蘭帶。O2大氣帶和大氣紅外帶分別因強度幅度改變太大和大氣吸收強，難於觀測。

分類

極光按觀測的電磁波波段分為光學極光和無線電極光；按激發粒子型別分為電子極光和質子極光。在光學極光中，主要為可見極光和X射線極光。可見極光有3種基本型別：

（1）紅色極光（A型極光），主要光譜成分OI(3P－1D)波長為6300埃和6364埃，多瀰漫狀光弧光面，主要是能量小於1000電子伏的電子激發的，一般分佈在200～400公里高空，個別可伸向1000公里高度。

（2）白綠色極光（普通型極光）。在可見極光中，以OI(1D－1S)波長5577埃為主，其次是N娚第一負系，5577埃線強度與3914埃帶強度之比約為 2，氧紅線成分少。由於人的眼睛在5550埃處最靈敏，所以，多數情況下極光呈現白綠色或淺黃綠色。它沒有固定的幾何形狀，但多為射線式結構，是由能量為1000～10000電子伏的電子激發的，分佈高度下緣在100公里左右，上限為140～180公里。

（3）下緣為紅色的極光（B型極光）以N娚邁納爾帶為主，多射線式結構，為能量大於1～3萬電子伏的電子激發的，分佈高度下緣在90～110公里左右，但個別低至65公里。高能電子在突然受到較稠密的大氣成分阻滯時可產生X射線，稱X射線極光，它是電子的韌致輻射，可以穿透到很低的高度(30～40公里)。無論是通常的可見極光還是X射線極光都是電子（次級或初級電子）激發的，稱電子極光。70年代以來，人們對極光的研究還擴充套件到紫外極光和紅外極光波段。因同氫原子或質子碰撞而發射的極光稱為質子極光。最常見的質子極光是氫原子巴耳末線 Hα(6563埃)和Hβ（4861埃）輻射。它是能量為1～10萬電子伏的質子進入地球大氣所激發的。這種譜線與其他譜線迥然不同，質子在沿磁力線進入地球大氣時，譜線特別展寬，並伴隨著向短波的頻移（多普勒效應），這類極光在緯度方向有幾百公里，在徑向有幾千公里。

極光按發生區域分為極光帶極光、極蓋極光和中緯度極光紅弧。極光帶極光通常指磁緯60°～70°（確切地說是67°附近）夜間經常看到的極光，多為普通型極光和B型極光。極蓋極光在磁靜時的表現形式是日照極光，它是磁緯75°～90°白天經常看到的極光。日照極光的主要光譜成分是紅光，可伸向1000公里高度，藍紫光是另一重要光譜成分。許多日照極光看起來是紫色的，這是因為N娚的振動結構在日光下有熒光現象。還有一種極蓋極光，是太陽色球爆發後噴出的100萬～1億電子伏的高能質子造成的，它均勻地覆蓋在極地上空（有時延伸到磁緯60°），伴隨雲形光斑塊，這種光稱為極蓋輝光，主要成分是3914埃。中緯度極光紅弧是磁緯41°～60°地區在地磁活動增強期間可以看到的極光。紅弧強度最大值在400公里附近，是一個南北長600公里、東西長1000公里以上的圍繞地球的均勻弧，一般肉眼看不見，只有當紅弧較強時才看得見。

極光與磁層

極光是太陽風與地磁場複雜作用的結果。磁層在太陽風作用下在背陽面拖得很長，形成磁尾，磁尾被等離子體片分成兩個部分，緊靠磁尾電流流經等離子體片。在磁尾凸部地磁場磁力線是開放的，同行星際磁場聯接，在極蓋區同地球相通。在等離子體片地磁場磁力線的閉合磁力線與開放磁力線之間的表面是等離子體片外邊界，後者沿磁力線在地球的投影是極光卵半夜的上邊界。極光卵半夜的下邊界恰好同等離子體片內部邊界（即向赤道一邊的邊界）沿磁力線在地球的投影相吻合。在地球向陽面，開放磁力線與閉合磁力線之間的區域就是極尖。極尖在白天地球電離層的投影是日極光卵。

在磁層內部有連續的等離子體傳輸。磁靜時，中性線遠位於磁尾後部，等離子體片較厚，約為5～10個地球半徑。地磁場活動時，磁尾區的磁通量增加。由於太陽風與磁層作用的結果而誘匯出強烈的等離子體傳輸，能達到相應於地球較低磁緯度的區域，極光顯著地向較低緯度遷移。

極光形態由靜止到活動再返回靜止條件的迅速變化稱為極光亞暴。它有兩個特徵階段:產生與增強階段(極光卵擴張)和恢復階段（極光卵收縮）。極光亞暴開始時，位於極光卵赤道一側的靜止的極光弧，突然增亮並轉變成射線式光弧光帶，接著向極區猛烈移動併產生大尺度摺疊，形成簾幕狀極光。在當地時間為前半夜地區，出現西行浪湧。極光亞暴處於最強盛階段（往往在地方時間為午夜地區，分裂成數個射線或弧）。隨後，在當地時間為後半夜地區，極光卵靠極區一側的極光向極區移動，而極光卵靠赤道一側的極光變成雲形斑塊群，兩者隨後均向東（指北半球）迅速移動，極光亞暴處於恢復階段。極光亞暴是磁層亞暴的一種表現形式。

極光與電離層

極區電離層經常發生極光和磁擾。磁暴期間，高能電子束深入大氣層，E層和D層的電離度大為增加。E層的異常電離常導致無線電通訊中斷(或干擾短波無線電通訊)。離極光帶越近，破壞越厲害。因為極光時 D層恰好在極光高度下限而有強帶電粒子流通過，電子密度大大增加，造成無線電波的強吸收。磁暴時這種現象向赤道方向擴充套件。在早晨沿極光卵的極光亞暴中，常有X射線極光併發，這裡具有1～10萬電子伏的電子與低頻（小於40千赫）無線電波作用形成哨聲（見哨聲和甚低頻發射）。極光對電波傳播有弊也有利:偶現E層的高電子密度能使頻率高得多的電波通過極光的反射折射而傳播，D層的異常電離導致微波散射，電視觀眾可以收到平時收不到的遠距離電視訊號。

雷達觀測表明:10～100兆赫的無線電波在某些條件下，可被高層大氣極光中的電離物質反射，使用大功率無線電訊號和大的天線，可以獲得直到800兆赫的反射。這種現象稱無線電極光。應用這一技術，我們可以在日照的白天探測到極光，並追蹤它的快速運動。(見彩圖)。