太阳大爆发了 我该去哪儿看极光？
2017/9/11 科学大院
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作者：李会超 (中国科学院国家空间科学中心)
2017年9月5日，NASA为了纪念旅行者号计划实施40周年，向旅行者1号和2号飞船发出了“你在繁星间带去友谊，你并不孤单”的问候。
似乎是为了配合这一纪念活动，太阳在其表面释放了两朵灿烂的烟花：北京时间9月6日17时10分和19时02分，编号为AR2674的太阳活动区爆发了两个能量巨大的太阳耀斑。随之发生的日冕物质抛射在9月7日—9日到达地球。
(SDO飞船拍摄的太阳耀斑大爆发。图中显示的时间为UTC时，即北京时间前推8小时。)
耀斑和日冕物质抛射将会给航天、导航、通讯、电力等方面的设施造成影响。
因此，当中美欧多家空间天气预警机构拉响空间环境的警报后，许多部门的工作人员就要忙碌起来，像地面上抗击台风洪水一样来采取措施了。
(大耀斑爆发瞬间，图片来自SDO飞船两个观测仪器数据的合成)
以上这些，似乎离普通人的生活都很远。
但耀斑和日冕物质抛射带来的绚烂的极光，却是不少朋友向往的美景。
(拍摄者：Lauri Kangas 地点：加拿大安大略省Fort Frances 时间：9月8日 12:55)
极光什么时候发生？在什么地方才能看到极光？为什么身处我们国家很难有机会看到极光？
要了解这些问题，还要从极光产生的原理说起。
极光是如何产生的
(2013年10月1日，美国俄勒冈州上空的极光)
日冕物质抛射(CME)会将大量的高速带电粒子抛向地球。
由于我们的地球有着较强的地磁场，在地球上生活的人们不用担心赖以生存的大气层，会像火星大气那样被太阳风暴剥离。
然而，当CME袭击地球时，仍然能有一些带电粒子能够穿透地球的“铠甲”，进入地球磁场内部。这是因为CME从太阳附近携带而来的磁场像一把“钥匙”，可以通过与地磁场的磁力线连接，打开地球的“铠甲”，将物质和能量源源不断地输入到地磁场的内部，触发整个地磁场的剧烈变化。
(太阳风暴吹袭地球过程的示意图，非实际观测。)
来自太阳的带电粒子进入到地球磁场，在经历一系列加速过程后，到达南极和北极的上空。
在那里，这些带电粒子将和大气中的氧、氮等元素的原子和分子发生碰撞，将能量传递给大气中的分子和原子，把他们激发到更高的能态。当这些高能态的原子和分子回归低能态时，会以发光的方式释放能量，就形成了绚烂的极光。
极光为什么有各种颜色
当原子跃迁跨越的能级不同时，极光的颜色也就会不同。
(拍摄者：Chris Cook 地点：美国马萨诸塞州Cape Cod 时间：9月7日)
最常见的极光颜色是绿色，这种极光来自于氧原子在557.7纳米波长的辐射。 而红色、蓝色的极光在太阳活动非常活跃时也可能出现。至于黄色和粉红色的极光，则是红色和绿色混合的结果。
(2014年1月9日，一次CME吹袭地球在挪威上空引发的绚烂极光)
在哪里能看到极光
既然极光形成于南北极上空，来自CME对地磁场的影响，因此，影响你能否看到极光的因素也就有两个：
离南北极是否足够近，CME引发的地磁场活动是否足够强。
然而，与极光观测相关的南北极是地球磁场的南北极，它们和由地球自转轴定义的地理南北极存在偏差。地磁的南极相对于地理的北极向加拿大一带偏离，而地磁的南极也不与地理的北极重合。
与地理纬度类似，我们用磁纬度来衡量一个地区离南北磁极的远近。磁纬度的数值一般和地理纬度不同，例如，中国的北京和美国的纽约都处在地理纬度的北纬40度附近，但纽约的磁纬约为50度，而北京的磁纬约为34度，在同样的地磁活动下，纽约将比北京更容易观测到极光。
(全球磁纬度等值线，可见他们并不和地理纬度线平行)
像我们用蒲氏风级、里氏震级这些指标来描述狂风和地震强烈程度一样，地磁活动强弱也有指数衡量。
在这些指数中，与极光联系最紧密的是Kp指数。
Kp指数越大，意味着越强的太阳风暴在吹袭地球，产生极光的范围就会向远离地磁南北极的方向扩展，也就有越多的地区可以观测到极光。
(美国空间天气预报中心绘制的Kp指数与激光扩展范围的关系图。图示区域为北美地区。)
(美国空间天气预报中心绘制的Kp指数与激光扩展范围的关系图。图示区域为欧亚地区。)
上面两幅图中标识了不同Kp指数时极光出现区域的范围。
由图中可知，Kp指数为5时，加拿大和北欧诸国上空就会出现极光；当Kp指数等于9时，美国一半的区域都将进入极光出现的范围，而我国只有东北地区的一小部分进入了该范围之内。
Kp指数越大，出现的频率就越低。据统计，Kp指数为5的出现概率为每11年900天，而Kp指数为9的出现频率，每11年仅有4天。
这意味着，距离磁南北极越远，看到极光的机会越少。
这里之所以以11年为一个统计周期，是因为太阳上的黑子数量以11年为周期变化，而日冕物质抛射等太阳活动现象发生的频率又与黑子数量紧密联系。在黑子数较多的年份，Kp指数高的情况也就会更多地出现，也就有更多的机会欣赏到极光。
目前，我们正处在第23个太阳活动周的极小期，太阳本该十分平静，像本次耀斑爆发这样剧烈的活动是十分罕见的。
(美国空间天气预报中心绘制的Kp指数与激光扩展范围的关系图及本次极光情况的预测。)
上图中是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)对本次耀斑伴随的CME所引发的地磁和极光活动的预报，最可能观测到极光的区域为黄线(Kp=7)以北的区域。美国北部的俄亥俄州和印第安纳州将有可能获得观测极光的机会。
而下一次极光扎堆出现的“高潮”，应该在2023年—2026年之间。
在我国，最有希望观测到极光的是黑龙江漠河，这里是我国磁纬最高的地方，也就是Kp指数与极光范围关系图中，红线划过我国领土的位置。
然而，根据当地气象部门的统计，漠河在1956—2010年间，每年内观测到的极光的次数最高不超过15次，大部分年份都在5次以下。
把守在这里观测极光似乎并不是一件明智的事情。如果想获得比较好的观测效果，北欧和加拿大似乎是更好的选择。
极光观看指南
虽然我们可以预测极光在哪一年出现得较多，但和天气预报一样，极光出现的准确情况只能提前几天做出。在美国和欧洲的空间天气预报机构网站上，都有专门的Kp指数预报和极光观测指南。你可以根据一段时间内的Kp指数情况及预报，和极光区域与Kp指数间的关系，来策划自己的极光之旅。
以下网站可以供您参考：
美国空间天气预报中心极光区域预报：
http://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast
美国阿拉斯加大学的极光区域预报：
http://www.gi.alaska.edu/AuroraForecast
一个极光爱好者维护的极光预报：
http://www.aurora-service.org/
(国际空间站上看极光)
(文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)
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