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极光与磁层亚暴

已有 5192 次阅读 2009-2-9 11:59 |个人分类:学海无涯|系统分类:人物纪事| 极光, 亚暴, 极光, 亚暴

这是95年写的一篇科普文章。里面的一些提法现在看不一定准确。不过还是保留原来的样子吧。因为重新贴在这里主要不是为了科普,而是为了纪念我的同事山林华博士。

 

極光與“磁層亞暴”


  ◆謹以此文紀念旅美中國空間物理學家山林華博士◆

  你見過極光嗎?如果天氣晴朗,午夜時分,靠近北(南)極圈地區的上空會
出現若隱若現的光彩條紋,忽忽幽幽地從東西兩方相對飄來。在兩條光帶的匯合
處,會突然亮了起來。燦若云霞,行如游龍,翻卷變幻,忽隱忽現。然后以翻江
倒海之勢向北(南)極方向滾騰而去。大約持續十几分鐘,將極地上空照得明如
白晝。最后漸漸向南(北)散去。

  為什么天空中會出現極光?為什么極光只出現在極圈附近?為什么極光的
“暴發”總是在午夜時分?這光怪陸離的神秘現象,常常引起人們神奇的幻想與
不倦的探索。

  用現代科學對極光現象進行全球范圍的研究始于第一次國際地球物理年。經
過三十多年不懈的努力,人們對極光現象有了基本的了解。依照當代空間物理學
的解釋,極光是一種物理學上稱為“磁層亞暴”的過程引起的。由于極光的形成
是這一物理過程的主要標志,也有人稱之為“極光亞暴”。

  我們知道指南針可以指示方向。這是因為地球本身具有磁場。指南針就是利
用地球磁場的南北方向性來判明方向。這一磁場在大氣層外形成了“地球磁層”
(簡稱“磁層”),并通過電離層與大氣層耦合在一起。可別小看了磁層的作
用,正是它擋住了空間“吹”來的“太陽風”。

  事實上,所謂空間(港臺稱作“太空”)并不真“空”,而是充滿了一種叫
做“等離子體”的物質。構成宇宙的物質絕大多數是處于等離子體狀態。這種狀
態下的物質,主要由帶正電的離子和帶負電的電子組成。由于正負電荷的總數相
等,人們便稱之為等離子體。我們的太陽及大多數可見的恆星都是巨大的等離子
體火球。它們通過內部的氫彈爆炸般的熱核反應,不斷向外層空間釋放等離子
體。過去物理學家一直認為這種釋放過程主要通過日耀斑的形成來進行。1994
年,一位美國物理學家對此提出挑戰。這就是所謂“日耀斑之謎”。不過那是題
外的話了。總之,等離子體總是不斷地釋放出來,不斷地向外擴散。

  理想的等離子體有一個特殊的性質,叫做“凍結效應”。也就是說,如果存
在磁場的話,等離子體將被“凍結”在用來表示磁場強度與方向的磁力線上,并
順著磁力線運動。形象地說,這種被“磁化”了的等離子體就象一條條的棒冰,
磁力線好比中間的棍兒,等離子體如同上面的冰。太陽釋放出來的等離子體,帶
著太陽外層(日冕層)磁場,以每小時上千公里的速度向外“吹”去,因此被稱
為“太陽風”。這種風刮起來雖說不是“飛沙走石”,但因攜帶著高能量的帶電
粒子和磁場,可稱得上是“飛電走磁”,有時會比真正的風暴還要厲害得多。幸
運的是,地球的磁場保護了我們。“吹”向地球的“太陽風”僅僅將地球磁層的
“迎風面”(朝著太陽的一邊,即白晝一側)“吹”扁,然后繞過磁層而去,把
磁層的“背風面”(夜晚一側)拖成一個長長的“磁尾”,從黎明或黃昏一側看
去,活象一只巨大無比的“蝌蚪”。在“磁尾”的赤道面上,會形成一個薄薄的
橫跨磁尾的電流層,簡稱“跨尾電流片"。

  但是,當“太陽風”磁場的方向與地球磁層“迎風面”的磁場方向相反時,
部分“太陽風”的粒子和能量會通過一種叫做“磁重聯”的過程進入地球磁層
“興風作浪”。由此引起的“大風浪”稱作“磁層風暴”,小一點的“風浪”就
是我們這里說的“磁層亞風暴”(簡稱“磁層亞暴”或“極光亞暴”)。物理學
家們發現,這種太陽風與地球磁層之間相互作用的增強,會將地球的磁尾越拉越
長,導致“跨尾電流片”越拉越薄,最后會在同步軌道附近(距地球大約八至十
個地球半徑遠的位置)將“跨尾電流片”拉斷。斷掉的電流“走投無路”,只好
沿著磁力線向北(南)磁極流去,然后在極區形成一段長弧,再沿著另一條磁力
線流回磁尾的赤道面,形成一個新的電流回路。當這個電流經過磁層與電離層交
界處,會受到那里的強度達上千伏的V型電場的加速,從而產生絢爛多彩的輝
光,即我們肉眼看到的極光。那段經過極區的長弧,就是人們常說的“極光
弧”。由于“跨尾電流片”總是在中部斷開,正好對應地球上的午夜的位置,所
以人們無論在何處,總是在午夜前后看到極光。又由于“跨尾電流片”總是在同
步軌道附近斷開,對應的磁力線連接到大約北(南)緯68度,即北(南)極圈
附近,所以極光總是出現在極地上空。

  對極光現象的上述解釋雖然回答了我們在文章開始提出的三個問題,但是又
引發了許多的新問題:為什么“跨尾電流片”總是在同步軌道附近斷開?引起
“跨尾電流片”斷裂的直接原因是什么?為什么磁層亞暴發生時,磁層與電離層
交界處會形成強度達上千伏的V型電場?這些問題仍在困擾著空間物理學家們。
他們提出種種假說、模型來試圖解釋。其中最引人注意的有四個:近地中性線模
型,跨尾電流片斷裂模型,磁層與電離層耦合模型,及太陽風驅動模型。其中被
廣泛接受的電流片斷裂模型是由來自香港的美國物理學家呂達賢建議的。側重于
電離層現象的磁層與電離層耦合模型是由來自臺灣的美國物理學家甘如石提出
的。曾因與觀測數據吻合率在百分之九十以上而轟動空間物理學界的太陽風驅動
模型則是來自中國大陸的年輕物理學家山林華博士及其兩位美國同行共同努力的
結果。來自兩岸三地的華裔物理學家的上述貢獻,是值得我們每個炎黃子孫自豪
的。

  解答這些新的為什么,可能還要物理學家几年甚至几十年的努力。科學總是
這樣。舊的問題解答了,又會產生新的問題。人們就是在不斷探索的過程中認識
周圍的世界。



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2 谢柏松 yinglu

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