極光(Aurora)

甲、依照出現位置分類

極光如同天使頭上的光環（圖）般套在地球的南北極。故又稱為極光橢圓圈（圖）。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（圖）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。

造成擴散極光的高速電子來自內磁層：

內磁層中，原來沿磁場線來回彈跳（圖）的高能電子，被擾動的電場與磁場散射後，無法繼續來回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。

造成分立極光的高速電子來自磁尾電漿片或磁層頂：

造成分立極光的高速電子成因可能不只一種，以下只是提出其中一種，做詳細的說明。

磁副暴是一種強烈的磁場擾動。主要的擾動發生在磁尾、以及高緯的電離層與地表。當磁副暴發生時，磁尾的磁場發生變形，會將電漿片中的熱電漿擠出來，灌入電離層（圖）。

當來自磁尾電漿片的熱電漿，到達電離層上空時，會自行形成一組Ｕ型的等電位分布（圖），其中，越內層的Ｕ型等電位面，電位越低。也就是說：

在Ｕ型結構的中央處，形成了一個沿磁場方向，方向向上的「場向電場」。

在Ｕ型結構的兩側，形成了一個垂直磁場方向輻合形式的電場分布。

因此，位在Ｕ型結構中央處的電漿中的電子，就會被此向上的「場向電場」所加速，高速的打入電離層。

當地球磁層外面太陽風中的磁場方向，具有南向分量時（與地球磁場方向相反時），地球的磁層頂，也成了一個帶有很強電流的電漿片。這樣的磁場與電流分布，很不穩定，也會造成強烈的磁場擾動（例如：「磁場線重聯（圖）」）。當來自磁層頂電漿片的熱電漿，到達電離層上空時，也會造成「場向電場」，並加速電子。

四、極光的光譜（圖）

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。（圖）

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。（圖）

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（圖）或紅綠相間的極光（圖）。
太空梭由上往下所拍攝的極光，多呈淺紅色，這是氫所發的紅光。地面上不容易看到此種氫所發出來的紅光極光弧，是因為氫所發出的紅光，相對應的【生命期】較長之故。在較低空的大氣中，空氣不夠稀薄，碰撞太頻繁，如果高能階激發態的【生命期】太長，往往來不及大家一同由高能階跳回低能階發光，就個別與另一個粒子發生碰撞，把光給放出來了。所以只能產生類似擴散極光的現象，無法造成明亮的極光弧！

五、極光照片欣賞

圖一、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。

因此極光的結構很像簾幕，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、太空梭上所拍攝到的極光上部的結構。

圖三、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、人造衛星上所攝得ㄖ型極光 (theta aurora) ，又稱跨極極光弧 (transpolar arc) 。

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「磁場線重聯」所造成的現象。

圖五、人造衛星上所攝得亮點極光 (bright spots aurora) 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。