在北極圈內,挪威的領土上,有一個不用簽證就可以自由出入的地方,這就是——斯瓦爾巴群島。

每年11月開始,整個群島進入極夜,一直到次年的2月才能看到太陽升起。但這歷時三個月的極夜,吸引著全球各地的遊客和追星者,因為這裡除瞭璀璨的星空,還有讓人嘆為觀止的極光!

極光壯觀猶如飛龍在天,神龍擺尾 | 圖源:NASA

極光之美,讓任何文字或語言都顯得蒼白,眼睛觀賞就好。

與文學和藝術不同,自然科學的魅力在於能夠用數學語言定量描述各種自然現象,並必須做到能夠重現。

現在我們已經知道,極光主要是太陽劇烈爆發引起的。太陽上的冕洞也與極光相關,留待後面有機會再慢慢介紹。太陽爆發,俗稱太陽“打噴嚏”。所以,極光實際就是:

太陽打瞭個噴嚏,

噴瞭地球一臉五顏六色。

然而,人類真正認識到這一點還是費瞭一番周折的。

開爾文勛爵挖的坑

十九世紀末,挪威科學傢們利用傢門口的便利條件,已經猜測到北極光可能與太陽有聯系。但是,通往真理的道路是崎嶇的,隻因為有一個權威大牛人挖下一個大坑,還灌滿瞭水。後果是:一段時間內,誰都邁不過去,也不敢邁過去。

這個牛人就是開爾文勛爵(Lord Kelvin)!

開爾文勛爵牛到什麼程度?隻說一件事:他發現溫度有最低下限,即絕對零度——零下273.15攝氏度。熱力學溫度的單位K(開爾文)就是以他的名字命名的。而絕對零度就是開爾文溫度標(K)定義的零點。開爾文勛爵逝世後安葬在威斯敏斯特教堂,這裡可是艾薩克•牛頓爵士的最後安息之地。你看看,實在太牛,本來隻說一件事的,一不小心說出瞭兩件事情。

厲害吧?!讓我們暫時收起膝蓋,一起回顧一下他堅決否定極光與太陽關系的邏輯:

1. 估計瞭一下極光的能量;

2. 假設能量來自太陽;

3. 假設太陽釋放這些能量是各向同性;

4. 太陽在極光期間釋放的能量等於正常4個月所釋放的能量。

勛爵由此得出結論:極光的能量不可能源自太陽。

開爾文很得意地在英國皇傢學會的一次周年會議上演講瞭以上論斷,並將整個講稿發表在《自然》雜志上(1892年第47卷)。但是,這次他錯瞭!錯在用瞭一個過於想當然的假設:各向同性。他錯誤地認為,無論何時太陽向空間任何一個方向都輻射相同的能量。但實際情況卻是:平靜時太陽的輻射是各向同性的,而太陽在暴躁期發脾氣時,隻朝特定的方向“打噴嚏”!可是,你見過誰打噴嚏,從兩耳和腦後噴出去嗎?

《自然》雜志一稿難登,讓多少學者夢寐以求,卻也難免出錯!權威和權威雜志也是有局限性的。

歷史記錄中的極光

其實,看看太陽爆發和極光相關性的歷史記錄,就不難發現開爾文勛爵結論的荒謬。這裡,我們著重介紹一下近代中國與世界同步記錄的兩次歷史上最著名的極光。

想要欣賞極光,通常需要到距離南北磁極較近的地方。但是要說能在赤道附近看到極光,估計要被罵作癡人說夢瞭。

然而,大自然的奇妙總是超出我們想象。

話說1859年9月1日,太陽打瞭有史以來最猛烈的一個“噴嚏”,這就是著名的“卡林頓太陽爆發事件”。太陽這個“噴嚏”,迎面噴瞭地球一個“滿臉花”!絢爛的極光從極區一直延伸到北緯20°附近。法國的夜空彌漫著五顏六色的極光;在夏威夷,夜空中漫天紅色的輝光下,人們甚至不用借助燈光就可以輕松閱讀。

與1859年超級極光顏色類似的極光:

世界一片祥瑞,大傢都是開門紅! | 圖源:NASA

我國河北省石傢莊市欒城區的地方志《欒城縣志》中,也記載瞭這次罕見的極光:

“清官咸豐九年……,秋八月癸卯夜,赤氣起於西北,亙於東北,平明始滅。”

這裡的“赤氣”就是極光。

13年後的1872年2月4日,地球上又發生瞭一次超大規模極光。這次極光的可見范圍,比1859年那次更大。從北極,到低緯度地區,甚至靠近赤道附近都能看到漫天霞光。像加勒比海地區、埃及,甚至南非、印度洋周邊,包括我國南方都看到瞭極光。有史為證:

“清穆宗同治十年十二月二十六日(1872年2月4)夜,自艮至坤,天赤如火,響曉乃滅。”(清光緒河北《東光縣志》 卷11頁20)

“夜半,紅光起西北,頃刻蔽天,日出始散。”(清光緒 湖北《光化縣志》 卷8頁9)

“清穆宗同治十年十二月二十七日(1872年2月5)醜刻,赤氣漫天,起東北至西南,光耀如火,雲內有一星如盂,藍色,移時始滅。”(民國 河北《景縣志》 卷14頁18)

這次極光事件,一位國際友人還專門發表瞭一篇Nature論文。

原來不需要打飛的就可以看極光!但是這樣的機遇需要百年等一回,您此刻有錢又有時間還是直接去極地吧。

稍等,別著急買機票。要想看到絢麗的極光,還得看太陽的臉色,即看看太陽上有沒有活動。

極光到底是怎麼產生的呢?

我們知道,太陽是太陽系的絕對老大。他發脾氣時會噴出大量的物質,包括高速運動的太陽高能帶電粒子流(太陽風)和磁場。這支“混編部隊”在太陽系內橫沖直撞。所幸的是地磁場築起一道道嚴密的防禦網,努力保護我們。

但是,太陽磁場可以通過一種叫做“磁場重聯”的方式,把穩固的地磁場防禦網撕開一個口子,從而讓太陽高能粒子一擁而入。地磁場一邊繼續組織防禦,盡力阻擋太陽高能粒子長驅直入,一邊把這些湧入的粒子束縛住,讓它們隻能沿磁力線去南北磁極。

地磁場在南北極是漏鬥形,陷入漏鬥陷阱的太陽高能粒子不肯輕易認輸,困獸猶鬥。地球又拿出第二大防禦武器——大氣層。大氣層中的土著氣體分子或原子抱著大無畏的精神,奮不顧身與太陽粒子相(碰)撞(瓷)。不同元素的原子“犧牲”時會激發出不同顏色的光:太陽高能粒子和氧原子撞擊能發出綠色和紅色的光,和氮原子撞擊則發出紫、藍和一些深紅色的光。這些繽紛的色彩就組成瞭南北極上空綺麗壯觀的極光。

“你們小心瞭,本公偶感風寒,要打噴嚏瞭!”

絢爛的極光原來是地球怒懟太陽後的勝利焰火!

我們也要清醒認識到,太陽對地球的攻擊,遠不止產生極光這麼簡單。極光發生期間,無線電通訊會中斷、GPS導航失效、衛星會發生故障。更加厲害的是,長距離輸電線路受到毀壞,從而引發大面積停電事故。想知道其中更多的故事,請關註本公眾號,且看下次分解。

作者簡介

周團輝,中國科學院紫金山天文臺,太陽多波段觀測與研究團組助理研究員,研究領域:太陽小尺度爆發活動。熱愛天文科普。

主編:毛瑞青

審核:季海生

編輯:王科超、高娜