极光是人们最早观察、记录和研究的空间物理现象。在中国古代，极光被称为“烛龙”“大电”等。在北欧拉普兰人传说里，极光是扫过夜空的狐狸尾巴。
图1.摩尔曼斯克上空酷似狐狸尾巴的绿色极光。（图片来源于网络）
顾名思义，极光就是指人们早期发现的某种来自北极的光，后来发现南极也有极光。南北两极是地球南北两端的极寒地区，而极光就是在这样的寒冷地区上空发生的一种发光现象。而造成这种发光现象的，是一种来自遥远太空的温暖。
我们身边赖以生存的大气，是一种透明的气体。马德堡半球实验证明了这种气体有一种威力巨大的压力，也就是大气压。在这种大气压条件下，常温下每毫升空气有大约2700亿亿个分子。喜欢爬山的人们，经常可以感受到耳压的变化。在珠穆朗玛峰这样的高山上，空气非常稀薄，氧气也明显减少。这是因为在地球引力的作用下，大气的密度随着高度的增加而减少。到100公里高度，大气密度降低到地面的百万分之一，差不多相当于人工制造的真空罐里所能达到的“真空”环境。到了1000公里高度，大气压力就更稀薄了，每毫升气体只有大约几十万个分子（有些分子已经被拆成了单独的原子）。
从成份上说，地面上空气中大约有78%的空气分子是氮气分子，大约21%的空气分子是氧气分子，还有少量的水蒸气分子和更少量的惰性气体。由于受到阳光照射，氧分子会分解成两个氧原子，然后氧原子再和氧分子结合在一起，形成三个氧原子组成的臭氧分子，这就是分布在20-50公里高度上能够吸收紫外线的臭氧层，它可以保护地面上的生命免受紫外线伤害。随着高度的增加，阳光照射也越强，拆开的氧原子越来越多；同时空气也越来越稀薄，可以拆的氧分子也减少了，从而使氧原子在105公里高度上最大。105公里以上，氧原子数有所减少，氧分子和氮分子越来越少，从而氧原子占据空气成分的大多数。空气中的氮分子是一种双原子分子，两个氮分子之间的三个化学键比较牢固，不像氧分子那么容易被拆分，因此仍以双原子分子形式存在，随着高度的升高而逐渐稀薄。高空中的氮分子容易受到紫外光或X射线照射或者由于电子撞击而失去一个电子，成为氮分子离子N2+。
借助光谱分析和卫星观测，科学家已经认识到，极光形成的原因是由于来自太阳风的带电粒子，主要是质子和电子，受到地球磁场的引导和加速作用，以极高的速度冲进大气层，与大气中的分子和原子撞击而产生的发光现象。如果说极光是一个炫丽多彩的电视秀，那么大气层就是这场电视秀的荧屏。而大气中的氧原子、氮分子以及氮分子离子，就是这个荧屏上的主要有效成分。正是这三种粒子受到撞击，跃迁到较高的能级，并从较高能级跃迁到较低能级，释放出特定的能量，才释放出特定颜色的光，形成了极光。
图2.氧原子受到电子撞击后发出的光子。
具体而言，氧原子受到电子撞击而获得能量，跃迁到激发态，再从激发态跃迁到低能态，释放出波长为557.7纳米的绿色光子，也可以从这个低能级继续跃迁到相互靠得很近的2个接近基态的更低能级，分别释放出波长为630.0纳米和636.4纳米的两种红色光子。氧原子在90-150公里密度较大，因此氧原子产生的绿色极光一般在90-150公里，而氧原子产生的红色极光一般在150公里以上。氮分子离子N2+受到电子撞击而获得能量，跃迁到激发态，再从激发态直接跃迁到基态，释放出波长391.4纳米的紫色光子，或者从激发态跃迁到中间的相互靠近的两个低能态，分别释放出波长为427.7纳米和470.8纳米的蓝紫色光子。由于这两个低能态已经很接近基态，如果继续向基态跃迁，释放出的光子能量较低，对应的波长超过了肉眼可以看到的红光的极限，而处于红外光范围了，这部分辐射称为梅内尔线系。由于氮分子离子分布在高度约1000公里的大气层边缘，所以它所发出的紫色和蓝紫色极光也都在1000公里高度。氮分子受到电子撞击后，也因为获得能量而跃迁到激发态，再从激发态跃迁到低能态，但大部分辐射因为能量较高而处于紫外光范围，只有一个1-p线系处于可见光范围，典型波长为661.1纳米、669.6纳米、676.8纳米和686.1纳米，这些辐射都是红色或暗红色的可见光。氮分子由于分布在大气层的较低区域，因此，氮分子所发出的红色或暗红色极光分布在65-90公里高度。
图3. 氮分子离子受到电子撞击后发出的光子。
如果撞击氮分子离子的是质子，也会发生同样的跃迁过程，释放出前面提到的三种波长的紫色或蓝紫色光子。对于氧原子，如果来袭的是质子，质子会在撞击中从氧原子中“抢夺”一个电子，从而形成激发态的氢原子，激发态的原子再跃迁回低能态，发射出著名的巴尔末线系中的波长为656.3纳米的Hα和波长为486.1纳米的Hβ光子，因而分别为红色和蓝紫色。这些激发态的氢原子再继续与氧原子或氮分子离子碰撞，进一步参与可重复的连锁反应，直到氢原子的能量降到和大气中的氢原子的能量差不多了，它的“脾气”也就温和多了。这个过程中，由于氢原子不显电性，其运动就不会受到磁场影响，而是在碰撞过程中遵循热运动规律，从而这种情况下的极光形态不会像爱丁堡天文台的那幅画中描述的蜡烛那样竖着排列，而是弥漫于整个天空。由于地球磁场被太阳风拖曳而被拉向了夜侧方向，在南北两极形成两个漏斗形状的区域，太阳风中的质子可以沿着这两个“喇叭口”不受阻碍地进入大气层，产生极隙区极光就呈弥散状态，就是因为中间产生的激发态氢原子的缘故。当太阳“发脾气”时，太阳活动比较剧烈，有时会产生能量很高、速度很快、密度很高的高能质子流。这些高能质子沿着开放磁力线进入南北两极的大气层，就可以产生这些弥漫整个天空的极光。
与大气层的分子、原子和离子发生碰撞的电子，主要来自夜侧的等离子体片。这是一个遥远而神奇的区域，可以通过“燃烧”磁力线的方式给地球两极上空带来些许温暖。那么哪来的围脖呢？且听下回分解。
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大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
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