極光(Aurora)

甲、依照出現位置分類

　　極光如同天使頭上的光環般套在地球的南北極。位在北極的稱為「北極光」。位在南極的稱為「南極光」。北極光與南極光有時可如同鏡中的影像一般成對出現。

乙、依照性質分類

　　極光依其性質可分為連續一片的「擴散極光」，以及不連續的「分立極光」。「擴散極光」如同氣輝般，光度暗淡且均勻的分布在中、高緯度的夜空中。「分立極光」則由許多極光弧，如皇冠般戴在高緯區的夜空電離層上。

　　擴散極光之形成是由於內磁層中，在地球磁場中沿磁力線來回彈跳的電子，被擾動電場與磁場散射，於是無法繼續彈跳而落入電離層中，並與電離層中的氫原子碰撞發出紅光。由於這些電子一個一個落下來，好像下毛毛雨一般。因此所產生的極光也像毛毛雨弄溼地面一般，呈現相當均勻的分布。

　　分立極光之形成是由於電子在電離層上部被一「場向電位差」（此處「場向電位差」是指沿磁場線方向的電位差）所加速《詳細過程見註一》，高速的打入電離層，而將電離層中氧原子、分子、以及氮分子打成激發態後，所放出來的光而得的。其過程與霓虹燈管內，藉著兩極的電壓差將電子加速，然後將管內稀薄氣體撞擊而發光的原理相似《詳細的發光原理與發光過程，見第三節的說明》。

　　圖一為地面上所見的「分立極光弧」如幕簾般掛在高緯區的夜空中。分立極光分布的高度約在地表上方八十公里到兩千公里的高空中，其極光弧寬度，窄的不到一公里，寬的可超過十公里。圖中構成幕簾的直線光束與地球磁場線一致。這是因為被電場加速往下打擊大氣粒子的電子能量很高，通常經過一次撞擊後，自己本身，以及被撞出來的新生電子，都還有多餘的能量，因此這些電子就會沿著磁場線繼續向上與向下撞擊其他大氣粒子。其中向上跑的電子，因為空氣密度低，所以可以沿磁場線跑得很高，使整根磁場線上，都出現游離發光的氣體。至於向下打的電子，因為下方大氣密度高，於是在很短的距離中就與很多的氣體分子相撞，不一會兒就跑不動了。因此極光的結構很向簾幕，上方沿著磁場線一根根染色上光，下方就像簾幕下方的綴飾一般分外寬厚明亮。

　　圖二為太空梭上所拍攝到的分立極光上部粉紅色光幕的結構。這種粉紅色的極光是由於高層大氣中氫原子被高速電子打到激發態而後跳回基態所放出的光。由《註一》中的說明可知這是一張在南極上空拍到的照片。

　　圖三為在磁層副暴發生時人造衛星上所攝得的大尺度極光結構變化情形。在人造衛星上，通常是用紫外光來觀測大尺度的極光結構。但由於衛星影像的解析度不夠高，因此無法辨識出分立的極光弧等精細結構（小尺度的現象）。

　　圖四為人造衛星上所攝得的另一種「ㄖ型極光」的結構及其變化情形。這種「跨極極光弧」結構多發生在行星際磁場有北向分量時。一般相信，這種「跨極極光弧」是由於行星際磁場與地球磁場在極區發生「磁力線重聯」所造成的現象。

　　圖五為人造衛星上所攝得的另一種大尺度極光結構。這些「亮點極光」結構的形成與高速太陽風吹過地球磁層，在磁層頂內部之邊界層所造成的渦流有關。這些亮點發生地點多位於中午到下午之極區電離層，但有時亦可以在中午前的方位出現。

　　產生分立極光的高能電子是哪裡來的？怎麼被加速的？為什麼極光會飛舞？這些都是比較複雜深奧的太空物理問題。但是簡單的說，這些電子的來源，一部分來自太陽，一部分來自地球大氣。它們原來是與帶正電的離子一起行動，一直到地球高緯電離層的上空，才開始被加速。

甲、明亮且活躍的分立極光之形成過程

　　來自太陽的高速電漿流，也就是太陽風，速度分布並不均勻，有時快有時慢。這是因為它們來自太陽表面的不同區域，所以速度不同。通常來自日冕洞區域的太陽風，速度較快。另一方面，太陽風也把太陽的磁場隨風帶了出來（別忘了組成太陽風的成分都是帶電粒子，所以可以「攜帶」磁場！）。由於風速的不均勻，以及其他源自太陽的擾動，使得這些磁場也像海浪般有些波動。這些波動對太陽而言，也許不算什麼大波動，可是對微小的地球而言，這些波動所帶來的磁場變化可就相當可觀了。於是如果吹到地球的太陽風速突然增加，或是所攜帶的磁場變成朝南的方向，都可引發地球上的「磁場風暴」。地球上的「磁場風暴」展開後，如果磁尾或磁層頂磁場結構發生突然的改變，使得原來位在該區的高濃度電漿粒子：電子與正離子，沿磁場線一塊兒進入極區上空，那麼由於磁場線幅合的效應，會使得這些帶電粒子開始繞著強磁場拼命打轉兒。由於正離子比較重，迴旋半徑比較大，因此佔據了比較寬廣的空間。而質量較輕的電子則仍被磁場抓的緊緊的，集中在原來跟隨的磁場線附近。由於正離子與電子兩者在空間上的分布變的不一致，因此出現電荷分離現象。於是正離子與電子之間產生了垂直磁場幅合狀的電場。這些垂直磁場的電場在接近電離層時，由於電離層是個良導體，不容許沿著導體面出現電位差，於是會在沿磁場線方向產生一個向上的電場。電子就是在此，被此一向上的「場向電位差」所加速，高速的打入電離層。

乙、明亮且活躍的分立極光盤旋飛舞成因

　　極光為什麼會盤旋飛舞呢？原因之一與上述的「垂直磁場幅合狀的電場」有密切的關係。原來中央的電子被加速向下，而兩側的電子則在此幅合電場與地球磁場的雙重作用下，分別沿Ｅ×Ｂ的方向運動，其中符號「×」表示兩個向量的外積，也就是將右手手掌自電場Ｅ的方向往磁場Ｂ的方向掃過去，則右手大拇指所指的方向就是Ｅ×Ｂ的方向。由於兩側的電場反向，所以兩側的電子流也反向運動，於是逐漸形成渦流。事實上，由於南北極的磁場一個指向天空，一個指向地面，因此由地面向上仰望極光的盤旋方向，會因為磁場的方向不同而相反。北極地區由地面向上仰望所見到的極光若出現盤旋飛舞，一定先是出現反Ｓ形狀的擾動，然後就變成是逆時針的盤旋運動。如果由太空梭上觀賞則方向剛好相反。至於南極的地面觀測與太空梭上的觀測則又與北極這兩種觀測所得結果恰好相反。因此各位可以根據這項原則，分辨出原來圖二中的極光是太空梭在南極上空拍到的，因為這張照片上的極光呈現反Ｓ形狀的結構。

　　極光的產生與霓虹燈的發光原理非常相似。都是因為高能的電子撞擊了稀薄的氣體，使該氣體暫時成為一種游離的激發態或非游離的激發態。當氣體粒子處於一種高能階的「準穩定態」之激發態時，若氣體夠稀薄，在該準穩定態的生命期結束前，該氣體粒子都尚未與另一個氣體粒子相碰撞，則該氣體粒子就會自發性的由目前的準穩定態跳到下一個較低能階的準穩定態或基礎穩定態，並放出一定波長的光。因此極光與霓虹燈所放出光之顏色與氣體的成分、電子能量的大小、準穩定態生命期的長短、以及氣體有多稀薄等因素都有關係。例如圖二中的氫所發的紅光，相對應的生命期較長，因此在較低空的大氣中，空氣不夠稀薄，碰撞太頻繁，往往來不及發光就與另一個粒子發生碰撞。所以此種氫所發出來的紅光在地面上不容易看到，但是在太空梭上卻看得很清楚。

　　極光光譜可由紫外線到紅外線。在可見光範圍的極光的成因，可由打入之電子能量及大氣成分（重的沈在下，輕的浮在上）而得。當打入之電子能量不太高時，可將高層氧原子打成激發態氧原子O(1S)。此激發態氧原子O(1S)回到基礎態氧原子O(3P)便發出白綠色的光（波長5577A），此即最常見的白綠色彩帶般的極光。

　　當一般強度的磁層副暴發生時，打入電離層的電子能量較高，可將較下層氮分子打至不穩定的游離態氮分子離子。當此激發態氮分子離子回到基礎態氮分子離子便放出青藍色的光，波長4278A。因此在一般強度的磁層副暴時，可見北極光如青龍般在極區（約北緯70-80度左右）夜空盤旋飛舞。

　　當打入的電子能量非常高時（少有之超強磁副暴），電子得以深入低層電離層，將下層之氧分子打成兩個激態的氧原子，其中一個O(1D)可放出紅光6300A而另一激態的氧原子可為O(1D)或O(1S)，故可放出紅光或綠光。因此在超強磁副暴時，可能見到血紅色的極光或紅綠相間的極光。