極光的英文aurora，其實是古羅馬神話中一位女神歐若拉的名字。她是掌管黎明曙光的女神，她的眼淚是晨光中的露珠。晨光是大自然賜給人類的美好禮物，歐若拉則是令人充滿希望與期盼的女神。
駕車的Aurora女神
直到1619年，伽利略才把我們看到的極光現象用aurora的名字來命名，以此表達對美好事物的期盼。
極光有各種顏色和形態。紅綠藍紫，都有可能。形狀有帶狀的、窗簾狀的、或者完全沒有形狀可言的均勻彌散狀的。極光也可以根據形狀分成彌散極光和分立極光。從全局看，可以分成簾幕狀極光、射線狀極光、均勻極光等。另外，也可以根據激發粒子的來源分成質子極光和電子極光。
極光照片 / 網路
極光在高緯區域更容易看見。我國地處中緯地帶，所以看到極光的機會不多。如果是從太空俯視地球極區，可以看到一個環形的極光區域。
北極的極光帶俯視示意圖
而極光出現的概率跟太陽活動息息相關。一般來講，太陽高年的時候更容易出現極光。太陽黑子數與地磁活動指數（代表極光活動強度的指數）之間的對應關係表明黑子數多的時候極光的強度也明顯增大。這說明太陽的驅動作用與地球上面的現象是直接相關的。
極光強度與太陽黑子的對應關係
/ 極光的產生原理
極光由高處的帶電粒子進入大氣層轟擊了大氣層中的分子或者原子而產生。具體來講，高能粒子撞擊大氣層原子X時，被原子核束縛的電子因為接收到能量，從穩定的基態躍遷到能量較高的激發態X*，但並不足以脫離原子核的束縛而逃離。當這個處在激發態的電子由於其不穩定性而回落到基態時，則以光子的形式釋放出能量。能道之間的能量差決定了光波的頻率。當波的頻率落在可見光範圍內，就成為我們看得見的極光了。
為什麼極光有各種不同的顏色？這取決於兩個原因：大氣層的成分分佈和入射粒子的能量。地球大氣層內有各類分子和原子，它們根據質量從自下而上的分佈使得重的成分在低處，而輕的成分在高處。靠近地表處，O2和N2比較多。往高處走，N2+和O原子則變成主導的成分。 在極光出現的100-200公里範圍內，O和N2分子為主要成分。
電子被激發至激發態、回落至基態而輻射光子的示意圖
第二個因素是入射粒子的能量。如果粒子能量越高，則進入大氣層越深，所以不同的滲透深度決定了與之發生碰撞的成分。比如太陽紫外輻射主要對高度為100公里之上的大氣層成分產生作用；而跟極光相關的入射粒子可以深入到100-150公里的高度與其中的大氣層成分發生作用。這些粒子的能量大約是幾個到幾十個keV（千電子伏）；更高能的輻射帶電子，則可以深入到100公里以下，甚至到達50公里處。還有更高能的太陽質子、宇宙射線等可與更低層的大氣層發生作用。
不同顏色的極光隨高度的分佈情況
/ 引發極光的入射粒子源自於哪裡？
地球電離層外面就是磁層，它是由地球磁場與太陽風相互作用形成的圈層。其內部有不同種類的粒子分佈在不同區域，它們的能量和密度各異。比如地球附近的等離子體層是比較冷的等離子體聚集地，密度較高，充斥在電離層外圍2-5地球半徑範圍內。等離子體片分佈於距離地球4-10地球半徑往外的赤道面附近，能量為幾百eV（電子伏）到幾十keV（千電子伏），分佈範圍較廣。極尖區的等離子體則存在於一個漏斗狀的區域，是太陽風粒子進入磁層和電離層的通道。另外，輻射帶、環電流等粒子分佈區，與等離子體層所在區域有所重合，但是能量更高，且密度相對低一些。
這些帶電粒子充斥著整個磁層空間，都是進入大氣層的粒子來源。 若從極光的發生區域分類，可以分成3類粒子來源：
1. 在日側高緯地區的極光：來源粒子主要是經由極尖區進入，起源於太陽風與磁層的相互作用；
2. 在夜側較低緯度地區的極光：主要是由來源於等離子體片的粒子激發；
3. 更低緯度區域的極光：是由來源於環電流的粒子所激發。
中高緯度極光的三類粒子來源
/ 沉降粒子對地球大氣層的其他作用
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電離
電離指的是電子徹底脫離原子核的束縛而逃離。大氣層發生電離的原因主要有：太陽輻射和來源於磁層的沉降粒子。太陽輻射出不同波段的光波，具有不同的能量。比如紫外線能電離大氣層中的分子和原子，而X射線能到達更低的高度。最終電離層形成了彎曲的電子密度剖面圖（如深紅色曲線所示），主要分成D、E和F層。F層更可以細分為F2和F1層， 有兩個電子密度峰值 。
電離層電子密度（紅色曲線）隨高度的變化
這個曲線基本刻畫了電離層在高度上的分佈狀況。當然，這並不是一成不變的。隨著太陽活動變化、日夜變化等因素，電子密度會相應出現變化。除了太陽輻射，磁層粒子沉降可以進一步引起大氣層的電離 。 引起極光的粒子，可以對高度在100-200公里的大氣層產生有效電離。而輻射帶電子引起最大電離率的高度大約在80-90km。另外，太陽質子在40km高處也能對大氣層產生電離效應。綜合太陽輻射和粒子沉降，電離層的電導率在日側和極光帶區域會顯著增強。
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臭氧破壞
大氣分子與入射的輻射帶粒子、太陽質子等粒子作用會形成氮氧分子（N,NO,NO2）, 氫氧分子（H，HO，HO2）等NOx，HOx。這些成分會與臭氧O3發生反應從而破壞臭氧層。而NO分子在夜裡的生命週期較長，還可以深入大氣層向下運動，破壞更低層的臭氧。下圖顯示了一個數值模擬結果，在高能粒子入射進入大氣層之後，NOx密度顯著增強，而Ox密度則顯著降低，說明了沉降的高能粒子對大氣層中Ox分子的破壞作用。
電離層電子密度、NOx密度、Ox密度受到高能粒子入射後的變化
來源：Turunen, E., A. Kero, P. T. Verronen, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, and S. Saito (2016), Mesospheric ozone destruction by high-energy electron precipitation associated with pulsating aurora, J. Geophys. Res. Atmos., 121, 11,852–11,861, doi:10.1002/2016JD025015.
/ 磁層-電離層之間其他形式的聯繫
當然，除了極光及粒子沉降這一紐帶之外，磁層和電離層之間還通過其他形式緊密聯繫在一起，比如通過等離子體對流、場向電流、電離層粒子逃逸等形式。
首先是等離子體對流的關聯性。太陽風與地磁場作用後形成磁層，在南向行星際磁場作用下，日側磁層頂發生磁重聯，磁力線重新連接並且在太陽風的作用下往夜側運動。在夜側磁尾再次發生磁重聯，從而使磁力線拓撲結構再次變化。閉合的磁力線往地球方向運動，並回到日側。在磁運動過程中，因為等離子體凍結在磁力線上，磁層裡的等離子體對流同樣出現在電離層。因此，在高緯地區等離子體從日側向夜側運動，隨後從低緯返回日側，形成了兩個對流圈（圖10）。
磁層-電離層對流示意圖
除了以上大尺度的等離子體對流圈之外，其實電離層的對流還可能出現特殊情況。 在這兩個對流圈外的低緯度區域經常出現一個具有較高流速的通道。這個速度通道出現的位置是在極光圈外，故被稱為亞極光極化流（SAPS） 。
電離層等離子體對流圈及亞極光區極化流（SAPS）
第二個聯繫方式是通過場向電流關聯。場向電流從磁層流入電離層，再從電離層流出來進入磁層，是磁層和電離層的橋樑，傳輸著彼此之間的能量和物質。在電離層高緯度地區有兩對場向電流，分別為1區和2區場向電流。1區在更高緯度，兩者流動方向相反。
場向電流連接磁層-電離層的示意圖
第三種聯繫方式是通過電離層粒子逃逸進入磁層而關聯。前面幾種聯繫方式均為磁層往電離層輸運能量，是磁層對電離層發生作用。而反過來，電離層對磁層的影響則是通過粒子外流。電離層的粒子密度較大，這些粒子往太空逃逸，進入磁層，是磁層裡面等離子體的主要來源物質。
粒子外流的原因有很多種。但是大致可以分成熱逃逸和非熱逃逸兩種。熱逃逸中最常見的是金斯逃逸。粒子在速度空間具有一定的分佈 。 在這個分佈裡，大於地球逃逸速度的這一部分粒子則可能脫離地球束縛而逃到太空裡。 還有一種熱逃逸是由於太陽輻射使得大氣層加熱後抬升擴展，因此具有向上的速度最終逃逸出去。非熱逃逸中，與熱力學沒有太大關係。比如光化學使得大氣層粒子接收到額外能量從而使之能夠掙脫引力束縛。比如受到濺射作用而逃逸：太陽風裡的高能粒子直接轟擊大氣層導致粒子被轟出大氣層。極區風逃逸：由於極區的磁力線開放，粒子更容易沿著磁力線運動從而進入太陽風裡或者磁層裡。還有流星撞擊導致的逃逸等。
電離層粒子外溢示意圖
問答部分
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1. 為什麼極光的形狀會變化？
答：極光的形狀取決於它的粒子源。極光主要分成兩類：彌散極光和分立極光。彌散極光源自於由於波動而沉降進入大氣層的粒子，這些粒子的特點是各向同性，對大氣層的作用便是一視同仁，所以極光出現的時候則是彌散的。分立極光源自於磁層中受到加速的粒子，它們沿著磁力線進入大氣層，是具有方向性的，更受控於磁力線的位形，所以有一定的結構。
2. 為什麼極光沒有出現在地球極點附近？
答：在極區的磁力線是完全開放的，與行星際空間相連接。而極光的發生是與磁層中的粒子沉降息息相關。處於開放磁力線的極區一般接收不到磁層的粒子沉降，故而不會有極光產生。
3. 發生極光的電子與電流有沒有關係？
答：引發極光的帶點粒子沿著磁力線運動進入大氣層，它們是電流的攜帶者。電子沉降對應了相反方向，即向上流動的電流，而質子沉降對應相同方向的電流。
4. 磁層的尾巴是怎麼形成呢？它有多長？
答：磁層的形成是由於太陽風與地球磁場相互作用形成的，在日側受到太陽風的擠壓，但是在夜側被拖拽形成長長的磁尾結構。磁尾的重聯位置可以達到幾十個地球半徑外，也可以比較靠近地球，比如十幾個地球半徑。它的長度取決於太陽風條件。
5. 木星的磁層與地球的磁層是不是很不一樣？
答：傳統的認知是兩者的位形很相似，但是大小差異很大。木星的磁層更大，並且由於受到它內部的多個衛星的影響，磁層的結構會有所區別。近期的研究提出一種非常新穎的觀點，與傳統認知的磁重聯只出現在夜側的圖像不一樣的是，研究者認為木星的日側也可能出現磁場重聯。這跟傳統認為的木星磁層位形就不一樣了。
報告人簡介
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於益群，北京航空航天大學教授，長期從事空間物理方面的研究，主要關注地球磁層-電離層相互作用，2015年入選國家級青年人才計劃。
[本文整理自《天芳夜潭》系列講座演講內容，主講人均為空間科學領域傑出女性科學家。該講座由國際空間科學研究所-北京(ISSI-BJ)主辦，歡迎各位關注。]
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編輯 /懷塵