极光：给你点颜色看看
2019/5/22 18:57:21周团辉 中国科学院紫金山天文台
在北极圈内，挪威的领土上，有一个不用签证就可以自由出入的地方，这就是——斯瓦尔巴群岛。
每年11月开始，整个群岛进入极夜，一直到次年的2月才能看到太阳升起。但这历时三个月的极夜，吸引着全球各地的游客和追星者，因为这里除了璀璨的星空，还有让人叹为观止的极光!
极光壮观犹如飞龙在天，神龙摆尾 | 图源：NASA
极光之美，让任何文字或语言都显得苍白，眼睛观赏就好。
与文学和艺术不同，自然科学的魅力在于能够用数学语言定量描述各种自然现象，并必须做到能够重现。
现在我们已经知道，极光主要是太阳剧烈爆发引起的。太阳上的冕洞也与极光相关，留待后面有机会再慢慢介绍。太阳爆发，俗称太阳“打喷嚏”。所以，极光实际就是：
太阳打了个喷嚏，
喷了地球一脸五颜六色。
然而，人类真正认识到这一点还是费了一番周折的。
开尔文勋爵挖的坑
十九世纪末，挪威科学家们利用家门口的便利条件，已经猜测到北极光可能与太阳有联系。但是，通往真理的道路是崎岖的，只因为有一个权威大牛人挖下一个大坑，还灌满了水。后果是：一段时间内，谁都迈不过去，也不敢迈过去。
这个牛人就是开尔文勋爵(Lord Kelvin)!
开尔文勋爵牛到什么程度？只说一件事：他发现温度有最低下限，即绝对零度——零下273.15摄氏度。热力学温度的单位K(开尔文)就是以他的名字命名的。而绝对零度就是开尔文温度标(K)定义的零点。开尔文勋爵逝世后安葬在威斯敏斯特教堂，这里可是艾萨克?牛顿爵士的最后安息之地。你看看，实在太牛，本来只说一件事的，一不小心说出了两件事情。
厉害吧？!让我们暂时收起膝盖，一起回顾一下他坚决否定极光与太阳关系的逻辑：
1. 估计了一下极光的能量；
2. 假设能量来自太阳；
3. 假设太阳释放这些能量是各向同性；
4. 太阳在极光期间释放的能量等于正常4个月所释放的能量。
勋爵由此得出结论：极光的能量不可能源自太阳。
开尔文很得意地在英国皇家学会的一次周年会议上演讲了以上论断，并将整个讲稿发表在《自然》杂志上(1892年第47卷)。但是，这次他错了!错在用了一个过于想当然的假设：各向同性。他错误地认为，无论何时太阳向空间任何一个方向都辐射相同的能量。但实际情况却是：平静时太阳的辐射是各向同性的，而太阳在暴躁期发脾气时，只朝特定的方向“打喷嚏”!可是，你见过谁打喷嚏，从两耳和脑后喷出去吗？
《自然》杂志一稿难登，让多少学者梦寐以求，却也难免出错!权威和权威杂志也是有局限性的。
历史记录中的极光
其实，看看太阳爆发和极光相关性的历史记录，就不难发现开尔文勋爵结论的荒谬。这里，我们着重介绍一下近代中国与世界同步记录的两次历史上最著名的极光。
想要欣赏极光，通常需要到距离南北磁极较近的地方。但是要说能在赤道附近看到极光，估计要被骂作痴人说梦了。
然而，大自然的奇妙总是超出我们想象。
话说1859年9月1日，太阳打了有史以来最猛烈的一个“喷嚏”，这就是著名的“卡林顿太阳爆发事件”。太阳这个“喷嚏”，迎面喷了地球一个“满脸花”!绚烂的极光从极区一直延伸到北纬20°附近。法国的夜空弥漫着五颜六色的极光；在夏威夷，夜空中漫天红色的辉光下，人们甚至不用借助灯光就可以轻松阅读。
与1859年超级极光颜色类似的极光：
世界一片祥瑞，大家都是开门红! | 图源：NASA
我国河北省石家庄市栾城区的地方志《栾城县志》中，也记载了这次罕见的极光：
“清官咸丰九年……，秋八月癸卯夜，赤气起于西北，亘于东北，平明始灭。”
这里的“赤气”就是极光。
13年后的1872年2月4日，地球上又发生了一次超大规模极光。这次极光的可见范围，比1859年那次更大。从北极，到低纬度地区，甚至靠近赤道附近都能看到漫天霞光。像加勒比海地区、埃及，甚至南非、印度洋周边，包括我国南方都看到了极光。有史为证：
“清穆宗同治十年十二月二十六日(1872年2月4)夜，自艮至坤，天赤如火，响晓乃灭。”(清光绪河北《东光县志》 卷11页20)
“夜半，红光起西北，顷刻蔽天，日出始散。”(清光绪 湖北《光化县志》 卷8页9)
“清穆宗同治十年十二月二十七日(1872年2月5)丑刻，赤气漫天，起东北至西南，光耀如火，云内有一星如盂，蓝色，移时始灭。”(民国 河北《景县志》 卷14页18)
这次极光事件，一位国际友人还专门发表了一篇Nature论文。
原来不需要打飞的就可以看极光!但是这样的机遇需要百年等一回，您此刻有钱又有时间还是直接去极地吧。
稍等，别着急买机票。要想看到绚丽的极光，还得看太阳的脸色，即看看太阳上有没有活动。
极光到底是怎么产生的呢？
我们知道，太阳是太阳系的绝对老大。他发脾气时会喷出大量的物质，包括高速运动的太阳高能带电粒子流(太阳风)和磁场。这支“混编部队”在太阳系内横冲直撞。所幸的是地磁场筑起一道道严密的防御网，努力保护我们。
但是，太阳磁场可以通过一种叫做“磁场重联”的方式，把稳固的地磁场防御网撕开一个口子，从而让太阳高能粒子一拥而入。地磁场一边继续组织防御，尽力阻挡太阳高能粒子长驱直入，一边把这些涌入的粒子束缚住，让它们只能沿磁力线去南北磁极。
地磁场在南北极是漏斗形，陷入漏斗陷阱的太阳高能粒子不肯轻易认输，困兽犹斗。地球又拿出第二大防御武器——大气层。大气层中的土著气体分子或原子抱着大无畏的精神，奋不顾身与太阳粒子相(碰)撞(瓷)。不同元素的原子“牺牲”时会激发出不同颜色的光：太阳高能粒子和氧原子撞击能发出绿色和红色的光，和氮原子撞击则发出紫、蓝和一些深红色的光。这些缤纷的色彩就组成了南北极上空绮丽壮观的极光。
“你们小心了，本公偶感风寒，要打喷嚏了!”
绚烂的极光原来是地球怒怼太阳后的胜利焰火!
我们也要清醒认识到，太阳对地球的攻击，远不止产生极光这么简单。极光发生期间，无线电通讯会中断、GPS导航失效、卫星会发生故障。更加厉害的是，长距离输电线路受到毁坏，从而引发大面积停电事故。想知道其中更多的故事，请关注本公众号，且看下次分解。
作者简介
周团辉，中国科学院紫金山天文台，太阳多波段观测与研究团组助理研究员，研究领域:太阳小尺度爆发活动。热爱天文科普。
撰稿：周团辉
审核：季海生
编辑：王科超、高娜
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