极光与流星

献给Itycho,和他的讨论促成了这篇文章。

极光与流星

极光(Aurora)以其瑰丽的色彩和流动的形态给人带来无穷的幻想。博闻多识的亚里士多德称为“天上的裂隙”(Chasms),北欧神话认为那是女武神们驰骋天际时铠甲反射的光芒,在中国传说中则是烛照极地临驭风雪的北国烛龙……它的名字虽然是罗马神话中的曙光女神,却是源自科学史上一次并不美丽的争论。

16世纪中期,哥白尼发表了日心说,但并没有立刻得到广泛的认可,甚至大天文学家第谷,作为那个时代最杰出的观测者,仍试图建立以地球为中心的体系,年轻的伽利略对此不以为然;但是第谷对1577年欧洲上空出现的一颗大彗星进行了细致的观测,得出与现代认识相近的结论,而伽利略则坚持亚里士多德的观点,认为那不过是大气造成的幻想。1618天空中又先后出现了三颗彗星,伽利略甚至都没有用他的望远镜看上一眼。由于之前宣传日心说受到教会的警告,他便以学生Mario Guiducci 的名义出版了一本小册子——“关于彗星的对话”(Discorso delle comete),系统地驳斥第谷的观点。在这本书中,他称极光为“北国的曙光” (“boreale aurora”),意在强调说它同曙光一样,都是大气反射的阳光,而彗星也是如此云云。1621年在极地旅行的法国科学家 Pierre Gassendi 用拉丁语记录下他看到的美丽景象,称作 “aurora borealis”,后来英国的库克船长在南极圈中也意外看到了同样的奇观,于是又有了“aurora australis”(南极光)。极光的名字就这样叫开了,但没人知道这美丽来自何方……

1790年,英国著名的物理学家卡文迪许用三角测量法定量估计了极光的高度,发现它属于100公里左右的高空,但这个正确的结果并没有给问题提供太多帮助,当时载人热气球刚刚出现(即使在今天,开放式热气球最多也只能升到1万米的高空),没人知道那么高远的地方有些什么。19世纪,光谱仪的出现让停滞多年的研究终于有了进展。瑞典天文学家埃格斯特朗(Ångström)在分析太阳光谱之余,第一次将光谱仪对准了极光,发现那并不是色散的连续谱,而是明显的发射谱。1896年挪威的物理学家Kristian Birkeland 给出了一个物理解释:高能带电粒子被地球磁场捕获,进入大气激发气体分子发光。他设计的精彩实验给公众留下了深刻的印象,但为技术水平所限,直到上世纪六十年代才终于被卫星观测证实。

地球磁场

虽然极光的许多细节仍有待研究,但基本物理过程现在已经基本清楚了。地球始终侧对太阳,但从外太空进入地球的高能带电粒子并不会直接穿透地球磁层进入大气,它们只能沿着地球的磁力线做螺旋运动,这样大部分粒子就被输送到两极,与那里的大气分子碰撞,形成极光。在太空中能看到极光的顶部有着暗红色的辉光,那是进入大气边缘的质子流捕获自由电子变成氢原子时发出的Ha 线,波长656.3nm,进入到150公里处,便到了电离层,那里大气仍然十分稀薄,大量氧原子被激发到亚稳态,从而产生了禁戒跃迁,从1D能级跳到1S,发出波长为557.7nm的绿光,如果从3P跳到1D,则会发出波长为630和636.4nm的红色双线,这就构成了极光最常见的两种颜色。

极光卵形区因为带电粒子被束缚在磁力线上,所以极光不会遍布整个极区,而是集中在磁纬67度附近的环形区域中(以北极光为例,北极点附近的地磁南极在西半球,北纬79度,西经71度,所以在加拿大可见极光的纬度要比北欧诸国低了大约20度),这个区域又在强劲太阳风的冲击下收缩成卵形(auroral oval)。通常在中低纬度地区是看不到极光的,但在太阳活动强烈的时候,地球磁场受到大量高能粒子的扰动,就有可能造成极光的猛烈爆发。先秦古籍《竹书纪年》中就有这样的记载:“周昭王末年,夜有五色光贯紫微。其年,王南巡不返。” 生活在黄河流域的先民是否真的经历了如此强烈的爆发,抑或只是司天太史的穿凿附会?太阳的活动以11年为周期,我们可以在现代的记录中寻找佐证。1898年9月9日,欧洲发生了极光暴,连罗马都看见了血红的天光。而1989年3月13日的魁北克极光暴甚至延伸到了佛罗里达和古巴,那么在西安看到极光也不是没有可能。不过我们不必期待这样罕见的爆发,有另外一种途径可以领略这些天外的的色彩,那就是流星~

火流星
在许多照片中,流星都拖着黯淡的绿色尾迹出现在半空,瞬间又变成红色,然后发出耀眼的黄白色光芒,再像燃尽的火柴一般消失在茫茫的夜色中……熟悉的颜色暗示了相同的物理过程,那些其貌不扬的灰暗岩石在刚进入地球大气层时,并没有受到太多阻碍,进入稀薄的电离层,就像粒子打入云室,诱发了亚稳态氧原子的跃迁。在地球引力的作用下,流星体的坠落速度越来越快,而大气密度迅速增加,摩擦产生了大量的热量,岩石开始熔化,其中所含铁、钠、镁等金属元素剧烈燃烧发出耀眼的强光。有些流星还会产生被称作“久现流星余迹”(persistent train)的残痕,因为含有钠元素而呈现黄色,在高空的气流扰动下不断改变形状,最终消散。

但是流星和极光的联系并不仅限于此,它们的声音也被认为有着共同的起源,不过那就是另外一个故事了……

APOD

参考资料:
1、曙光女神 Aurora —極光
2、GUIDE TO THE AURORA
3、Secrets of the Polar Aurora
4、Color of photo meteor trails
5、Meteor Wake in High Frame-Rate Images
6、Kristian Birkeland saw the lights
7、太阳风暴事件表
8、meteorobs: trails, trains

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