极光
原子激发而生的光，令人激动万分的光

电子游戏和电影发展迅速，它们的视觉效果能给我们留下深刻印象。只可惜，在这方面，大自然才是当之无愧的老大。想见识一下的话，你只需去地球的最北或最南的地区就好——在那里，你得等到夜幕降临，然后抬头望天空。如果你是个幸运儿，那么你可以看到大自然最惊艳的现象之一：极光。极光其实看起来也不尽相同，但总体上差不多是这样的：夜空变成一大碗发着光的绿粥，而且还有一柄看不见的大勺子在粥里来回搅拌。

这样的视觉效果实在是不可思议。维京人以为极光表明刚刚在地球某处发生了一场大战。还有文化将极光视为超自然生物存在的标志。但天空中究竟发生了什么呢？为什么天变成了绿的，为什么这种现象只偶尔发生，而且只能在极北（北极光）或极南（南极光）看到？

来自太阳的风

告诉你怎样才能看到极光。第一个条件就是天气得好。不只是说天空要晴朗，还得是那种天气刚刚好才行。那种天气叫“空间天气”，和太空中条件的变化有关，比如说移动的粒子和磁场。如果你去看一下空间天气状况报告和预报，你会发现空间天气的一个主要指标是太阳活动。要是看看太阳（可别直视太阳！），你会发现上面有一些黑点。那些黑点（黑子）就是太阳上磁场很强的地方。时不时地，太阳黑子会抛射出大量粒子：质子、氦核（聚变的产物）和电子。这样的现象叫作“日冕物质抛射”。现象发生的次数取决于太阳的活动状况，而太阳活动强度的增减是周期性的。可以说，太阳黑子越多，意味着抛射出的粒子就越多。然后，这些粒子会在太空中移动，有的可能会向地球靠近。我们管这个叫“太阳风”，其中包括爆发和不断离开太阳的持续的粒子流。

太阳风是空间天气的一部分。只要你谈起天气，就免不了想知道天气预报。在地球上，天气预报不准的情况很常见，但是太空天气预报相当靠谱。你能确切地知道有什么东西从太阳那边过来了，因为天气还在路上的时候你就已经看到了。我们可以权当这是太阳发出的视觉信息，它会以光速（约10亿8 000万公里/时）向我们靠近，而裹挟着大量粒子的太阳风速度就慢多了（约145万公里/时）。

磁场崩溃

想象一下强劲的太阳风抵达地球。我们会相当欣喜地意识到，地球有大气层和磁场。这样的粒子风不算什么，但如果我们直接暴露在辐射下的话，一定会受到很大伤害。幸运的是，我们的大气层可以吸收这种辐射。更幸运的是，地球磁场能使太阳风的方向发生偏转！太阳风会偏转到与磁场线平行的方向，就和下图中示意的一样。太阳风本身会改变地球磁场的形状。太阳风是一束移动的粒子，也可以说是一束电流。而电流会产生磁场。因此，磁场线从太阳一侧推进过来，挤压左侧的磁场并将其拖到右侧。太阳风中的粒子可以有好几种方法进入地球的大气层。其一是通过“极尖区”开放的磁场线，也就是地球的磁场无法保护我们的地方。其二是通过右侧的尾部。从右侧的顶部和底部挤压磁场可以让磁场线重新连接并向地球翻转。太阳风越强，地球的磁场线就越弯。就此发生的大幅变动也被称作“磁暴”。磁场线重新连接后，带走了一部分太阳风。这些粒子还会把其他粒子推出“范艾伦辐射带”并把它们推入大气层。这条辐射带其实是带电粒子被困在地球磁场中的地带，时常会有太阳风和星际间的其他粒子源为其补充粒子。

粒子雨和发光的原子

现在，带电粒子已经通过靠近南北极的磁场线之间的间隙进入了地球的大气层。就在粒子移动的过程中，它们撞上了地球大气层中的原子。在这样的撞击下，它们会将能量传递给原子，同时把电子带入“激发态”。在这种状态下，电子可以通过发射光线让自己再次放松下来。而根据这些状态之间的能量差的不同，发射光的波长也由红色（低能量）到蓝色（高能量）各不相同。氧原子发射光线的方式，在可见光范围内主要有两种：一种对应红光，另一种对应绿光。电子从激发态转变为基态的时间是不同的：发射绿光的转变时间不足一秒，发射红光的转变花的时间长一些。高空中原子的密度非常低，这里只有氧原子，它们会慢慢发出红光。红光发射比绿光发射要频繁得多。而越接近地面，原子密度就越大，那么原子之间碰撞的机会就越多，它们会通过碰撞而非发射光线来转移能量，于是红光就被抑制了，剩下的就是可以“快速”发射的绿光。在海拔更低的地方，原子氧（别把它和氧分子弄混了，氧分子的密度可是海拔越低就越大）的密度太低，以至于我们都看不到有任何光线发射。这就是为什么极光中红色的光都在很靠上的位置（但并非总能看见），而大部分都是绿光。

现在，好好看看极光吧。很美，不是吗？若是有幸看到如此奇观，你一定会想晒给大家看吧，埃尔温和麦克斯韦就是如此。

图1 美丽的极光。
图像提供：美国国家航空航天局（NASA）/雨果·赫勒雷