極光是人們最早觀察、記錄和研究的空間物理現象。在中國古代，極光被稱為「燭龍」「大電」等。在北歐拉普蘭人傳說里，極光是掃過夜空的狐狸尾巴。
圖1.摩爾曼斯克上空酷似狐狸尾巴的綠色極光。（圖片來源於網路）
顧名思義，極光就是指人們早期發現的某種來自北極的光，後來發現南極也有極光。南北兩極是地球南北兩端的極寒地區，而極光就是在這樣的寒冷地區上空發生的一種發光現象。而造成這種發光現象的，是一種來自遙遠太空的溫暖。
我們身邊賴以生存的大氣，是一種透明的氣體。馬德堡半球實驗證明了這種氣體有一種威力巨大的壓力，也就是大氣壓。在這種大氣壓條件下，常溫下每毫升空氣有大約2700億億個分子。喜歡爬山的人們，經常可以感受到耳壓的變化。在珠穆朗瑪峰這樣的高山上，空氣非常稀薄，氧氣也明顯減少。這是因為在地球引力的作用下，大氣的密度隨著高度的增加而減少。到100公里高度，大氣密度降低到地面的百萬分之一，差不多相當於人工製造的真空罐里所能達到的「真空」環境。到了1000公里高度，大氣壓力就更稀薄了，每毫升氣體只有大約幾十萬個分子（有些分子已經被拆成了單獨的原子）。
從成份上說，地面上空氣中大約有78%的空氣分子是氮氣分子，大約21%的空氣分子是氧氣分子，還有少量的水蒸氣分子和更少量的惰性氣體。由於受到陽光照射，氧分子會分解成兩個氧原子，然後氧原子再和氧分子結合在一起，形成三個氧原子組成的臭氧分子，這就是分布在20-50公里高度上能夠吸收紫外線的臭氧層，它可以保護地面上的生命免受紫外線傷害。隨著高度的增加，陽光照射也越強，拆開的氧原子越來越多；同時空氣也越來越稀薄，可以拆的氧分子也減少了，從而使氧原子在105公里高度上最大。105公里以上，氧原子數有所減少，氧分子和氮分子越來越少，從而氧原子佔據空氣成分的大多數。空氣中的氮分子是一種雙原子分子，兩個氮分子之間的三個化學鍵比較牢固，不像氧分子那麼容易被拆分，因此仍以雙原子分子形式存在，隨著高度的升高而逐漸稀薄。高空中的氮分子容易受到紫外光或X射線照射或者由於電子撞擊而失去一個電子，成為氮分子離子N2+。
藉助光譜分析和衛星觀測，科學家已經認識到，極光形成的原因是由於來自太陽風的帶電粒子，主要是質子和電子，受到地球磁場的引導和加速作用，以極高的速度衝進大氣層，與大氣中的分子和原子撞擊而產生的發光現象。如果說極光是一個炫麗多彩的電視秀，那麼大氣層就是這場電視秀的熒屏。而大氣中的氧原子、氮分子以及氮分子離子，就是這個熒屏上的主要有效成分。正是這三種粒子受到撞擊，躍遷到較高的能級，並從較高能級躍遷到較低能級，釋放出特定的能量，才釋放出特定顏色的光，形成了極光。
圖2.氧原子受到電子撞擊後發出的光子。
具體而言，氧原子受到電子撞擊而獲得能量，躍遷到激發態，再從激發態躍遷到低能態，釋放出波長為557.7納米的綠色光子，也可以從這個低能級繼續躍遷到相互靠得很近的2個接近基態的更低能級，分別釋放出波長為630.0納米和636.4納米的兩種紅色光子。氧原子在90-150公里密度較大，因此氧原子產生的綠色極光一般在90-150公里，而氧原子產生的紅色極光一般在150公里以上。氮分子離子N2+受到電子撞擊而獲得能量，躍遷到激發態，再從激發態直接躍遷到基態，釋放出波長391.4納米的紫色光子，或者從激發態躍遷到中間的相互靠近的兩個低能態，分別釋放出波長為427.7納米和470.8納米的藍紫色光子。由於這兩個低能態已經很接近基態，如果繼續向基態躍遷，釋放出的光子能量較低，對應的波長超過了肉眼可以看到的紅光的極限，而處於紅外光範圍了，這部分輻射稱為梅內爾線系。由於氮分子離子分布在高度約1000公里的大氣層邊緣，所以它所發出的紫色和藍紫色極光也都在1000公里高度。氮分子受到電子撞擊後，也因為獲得能量而躍遷到激發態，再從激發態躍遷到低能態，但大部分輻射因為能量較高而處於紫外光範圍，只有一個1-p線系處於可見光範圍，典型波長為661.1納米、669.6納米、676.8納米和686.1納米，這些輻射都是紅色或暗紅色的可見光。氮分子由於分布在大氣層的較低區域，因此，氮分子所發出的紅色或暗紅色極光分布在65-90公里高度。
圖3. 氮分子離子受到電子撞擊後發出的光子。
如果撞擊氮分子離子的是質子，也會發生同樣的躍遷過程，釋放出前面提到的三種波長的紫色或藍紫色光子。對於氧原子，如果來襲的是質子，質子會在撞擊中從氧原子中「搶奪」一個電子，從而形成激發態的氫原子，激發態的原子再躍遷回低能態，發射出著名的巴爾末線系中的波長為656.3納米的Hα和波長為486.1納米的Hβ光子，因而分別為紅色和藍紫色。這些激發態的氫原子再繼續與氧原子或氮分子離子碰撞，進一步參與可重複的連鎖反應，直到氫原子的能量降到和大氣中的氫原子的能量差不多了，它的「脾氣」也就溫和多了。這個過程中，由於氫原子不顯電性，其運動就不會受到磁場影響，而是在碰撞過程中遵循熱運動規律，從而這種情況下的極光形態不會像愛丁堡天文台的那幅畫中描述的蠟燭那樣豎著排列，而是瀰漫於整個天空。由於地球磁場被太陽風拖曳而被拉向了夜側方向，在南北兩極形成兩個漏斗形狀的區域，太陽風中的質子可以沿著這兩個「喇叭口」不受阻礙地進入大氣層，產生極隙區極光就呈彌散狀態，就是因為中間產生的激發態氫原子的緣故。當太陽「發脾氣」時，太陽活動比較劇烈，有時會產生能量很高、速度很快、密度很高的高能質子流。這些高能質子沿著開放磁力線進入南北兩極的大氣層，就可以產生這些瀰漫整個天空的極光。
與大氣層的分子、原子和離子發生碰撞的電子，主要來自夜側的等離子體片。這是一個遙遠而神奇的區域，可以通過「燃燒」磁力線的方式給地球兩極上空帶來些許溫暖。那麼哪來的圍脖呢？且聽下回分解。
- 作者信息 -
大雁，有情懷的空間物理學博士，關注科普的一線科學家。
排版：弢
審核：六朵、蒼翼蝴蝶、竹子
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