揭開北極光神秘的面紗

揭開北極光神秘的面紗

吳樹森

長期以來，由于科學(xué)知識(shí)的貧乏，人們對(duì)北極光現(xiàn)象一直眾說紛紜。有人認(rèn)為：它是地球外緣燃燒的大火；有人則認(rèn)為，它是夕陽西沉后，天際映射出來的光芒；還有人認(rèn)為，它是極圈的冰雪在白天吸收儲(chǔ)存陽光之后，夜晚釋放出來的一種能量。各種傳說為北極光朦上了一層神秘面紗。直到20世紀(jì)60年代，科學(xué)家將地面觀測結(jié)果與衛(wèi)星和火箭探測到的資料結(jié)合起來研究，才逐步形成了極光的物理性描述。極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達(dá)地球附近，地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線集中到南北兩極。當(dāng)它們進(jìn)入極地的高層大氣時(shí)，與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)，產(chǎn)生光芒，這種在極地形成的光在天文學(xué)上就稱為“極光”，在北極地區(qū)形成的叫北極光，在南極地區(qū)形成的叫南極光。

極光的形成三大要素

極光的形成有三大要素：太陽風(fēng)、地球磁場和大氣。所謂“太陽風(fēng)”，是太陽對(duì)宇宙不斷放射的一種能量，它是由電子與質(zhì)子所組成，是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流。太陽風(fēng)的強(qiáng)弱，是極光暴發(fā)規(guī)模大小的先決條件。

地球磁場亦稱“地磁場”。在北極附近的稱為“磁北極”，在南極附近的稱為“磁南極”。受地球磁場的作用，由太陽發(fā)出的高速帶電粒子沿著磁場線，大約以400 km/s的速度撞擊地球磁場兩極。所以極光常見于地球兩極的高磁緯地區(qū)。

高層大氣是極光的舞臺(tái)，由于太陽的激烈活動(dòng)，放射出無數(shù)的帶電微粒，受地球磁場的影響，這些帶電粒子便沿著地球磁力線高速進(jìn)入到南北磁極附近的高層大氣中，與氧原子、氮分子等質(zhì)點(diǎn)碰撞，產(chǎn)生了“電磁風(fēng)暴”和“可見光”的現(xiàn)象，這些繽紛的色彩組成了綺麗壯觀的極光景象。

地磁磁緯與極光出現(xiàn)區(qū)域

極光不只在地球上出現(xiàn)，具備這三個(gè)條件的太陽系其他行星，如木星、土星和水星都出現(xiàn)過極光。在地球上能否看到極光與所處地磁緯度有直接關(guān)系。需要指出的是，地球磁緯與地理緯度并不是一回事，地球的磁極和地理的南北極并不重合，地磁緯度與地理緯度不在一條線上。地極和磁極之間有大約11°的夾角，極光圈并不是以地理極點(diǎn)為圓心的同心圓，而是“傾斜的”。這是因?yàn)榈厍虼艌雒磕甓荚谧兓卮艠O的位置也在變化。根據(jù)1975年測定，磁北極的地理坐標(biāo)為北緯76°6′，西經(jīng)100°，2001年磁北極為北緯81°18′，西經(jīng)110°48′。

在大約離磁極25°～30°的范圍內(nèi)常出現(xiàn)極光，這個(gè)區(qū)域稱為極光區(qū)。長期觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，極光最常出現(xiàn)在南北磁緯度67°附近的兩個(gè)環(huán)狀帶區(qū)域內(nèi)，分別稱作北極光區(qū)和南極光區(qū)。北半球的極光區(qū)以阿拉斯加、北加拿大、西伯利亞、格陵蘭冰島南端與挪威北海岸為主。北極圈附近阿拉斯加的費(fèi)爾班克斯更贏得“北極光首都”的美稱，一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象。

在地磁緯度60°～45°之間的區(qū)域稱為弱極光區(qū)，北美、北歐主要城市都處在弱極光區(qū)，這些地區(qū)看到極光的幾率也比較大。地磁緯度低于45°的區(qū)域稱為微極光區(qū)，亞洲大部、歐洲南部處在微極光區(qū)，這些地區(qū)看到極光的幾率很小。從極光3個(gè)區(qū)域分析，越靠近北磁極，出現(xiàn)極光的幾率越大。如果太陽活動(dòng)比較平靜，一般只有高緯度地區(qū)可以看到極光，中低緯度地區(qū)看到極光的幾率要小。如果是太陽活動(dòng)極大年，甚至一些中低緯度地區(qū)也可以看到極光。因此，能否看到極光還取決于太陽活動(dòng)的強(qiáng)弱。

我國城市磁緯和極光區(qū)域

日本學(xué)者利用我國的極光記錄研究歷史上地磁軸的運(yùn)動(dòng)傾向，并得出公元11～12世紀(jì)地磁軸傾向于我國的結(jié)論。目前，北半球地磁極比自轉(zhuǎn)軸更傾向于北美，因此，北美的加拿大和美國具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，加拿大和美國的某一地區(qū)比亞洲的同一緯度地區(qū)更容易看到極光。由此得出，極光出現(xiàn)的幾率不僅和緯度有關(guān)，與經(jīng)度也有很大關(guān)系。如果甲乙兩地緯度相同，但經(jīng)度越靠近地磁軸，磁緯也就越高，而磁緯越高越容易看到極光。

雖然我國漠河地理緯度略高于溫哥華，但磁緯卻低于溫哥華7°；哈爾濱地理緯度略高于多倫多，但磁緯卻低于多倫多14°；北京與紐約處于同一地理緯度，但磁緯卻低于紐約18°，紐約出現(xiàn)極光的幾率遠(yuǎn)大于北京。就我國而言，地理位置越靠北，地磁緯度越高。漠河地理緯度為52°58′，地磁緯度為47°，是中國地理緯度和地磁緯度最高的地方，是最容易看到極光的地方。除漠河處在弱極光區(qū)南端之外，其它地區(qū)地磁緯度都低于45°，處在微極光區(qū)。東北地區(qū)、內(nèi)蒙古大部、新疆北部處在磁緯約35°以北，這些地區(qū)都有大小不等的幾率觀測到極光。

極光的形狀

極光是一種大自然天文奇觀，它沒有固定的形態(tài)，一般呈帶狀、弧狀、幕狀、放射狀等。從科學(xué)研究的角度，人們將極光按其形態(tài)特征分成五種：一是底邊整齊微微彎曲的圓弧狀的極光孤；二是有彎扭折皺的飄帶狀的極光帶；三是如云朵一般的片朵狀的極光片；四是像面紗一樣均勻的帳幔狀的極光幔；五是沿磁力線方向的射線狀的極光芒。極光的運(yùn)動(dòng)變化，有時(shí)穩(wěn)定，有時(shí)作連續(xù)性變化，它以天空為舞臺(tái)，上下縱橫成百上千公里，蔚為壯觀。一次強(qiáng)烈或維持時(shí)間較長的極光過程也可以變幻成多種形狀。

在我國漠河等地出現(xiàn)的極光，形態(tài)一般比較穩(wěn)定，沒有明顯變化，發(fā)光均勻的幕狀、放射狀是最穩(wěn)定的外形。有的像一條彩帶穩(wěn)定少動(dòng)，有的像球狀般密聚在一起，如同云霧，有的像一張五光十色的巨大銀幕掛在天上，有的形成一排色彩斑斕的光柱射向天空。當(dāng)極光強(qiáng)烈時(shí)，其形狀變幻莫測，時(shí)而膨大，時(shí)而縮小，忽遠(yuǎn)忽近；有時(shí)猶如被風(fēng)吹動(dòng)的輕紗，呈現(xiàn)波浪狀涌動(dòng)，有時(shí)像彩綢一樣在夜空中幔舞。

極光的顏色

極光由初升到消逝，其間變幻神奇莫測，色彩也會(huì)發(fā)生變化，繽紛奇麗。對(duì)于地球上的極光而言，綠色是最為常見的顏色，但是紅色、白色和藍(lán)色也會(huì)時(shí)常出現(xiàn)。極光的色彩和其成因有很大關(guān)系。高層大氣是由多種氣體組成的，不同元素的氣體受轟擊后所發(fā)出的光的顏色也不一樣。當(dāng)大量高能帶電粒子沿磁力線穿越電離層時(shí)，與氣體原子和分子相撞擊，釋放出大量的能量，不同的分子、原子發(fā)生不同顏色的光，例如氧發(fā)出綠色和紅色的光，氬發(fā)出藍(lán)色的光，氮發(fā)出紫、藍(lán)和一些深紅色的光，因而極光就顯得絢麗多彩，變幻無窮。漠河出現(xiàn)的放射狀極光，就是這些單色光混合在一起，形成以紅色為主的七彩光柱。

我國極光出現(xiàn)的次數(shù)

早在2000多年前，中國就開始觀測極光，雖然未能解釋它的物理實(shí)質(zhì)，但留下了豐富詳盡的極光記錄。近代氣象學(xué)上把極光解釋為“在高緯地區(qū)（主要是在極地），在高層大氣中以射線、弧、帶、帷幔或冠冕等到形狀而出現(xiàn)的一種特殊的發(fā)光現(xiàn)象。建國以來，氣象臺(tái)站也把極光做為天氣現(xiàn)象進(jìn)行記錄。每個(gè)天氣現(xiàn)象都有特定的符號(hào)，極光的符號(hào)是用“ ”表示。由于漠河是中國觀測極光的最佳地方，觀測到的極光次數(shù)最多，記錄最完整，是我國研究極光的寶貴資料。

近30年來，在全國民間發(fā)現(xiàn)極光的傳說廣為流傳，報(bào)紙、期刊、電視及網(wǎng)絡(luò)等媒體也多次出現(xiàn)極光的報(bào)道，還有外地游客在漠河也看到了北極光。據(jù)筆者調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國1956～2015年北極光出現(xiàn)次數(shù)共74次（排除日期不詳和疑似極光），其中：氣象部門有極光觀測記錄共53次，通過地方志、書刊、網(wǎng)絡(luò)和民間等收集到的極光記錄共21次。

按照11～2月為冬季，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～10月為秋季的四季劃分方法，日界采用世界時(shí)（以20時(shí)為日界），從現(xiàn)有氣象觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析，出現(xiàn)極光最多的地方是黑龍江漠河共58次，其他各地出現(xiàn)次數(shù)依次為呼瑪8次，齊齊哈爾5次，加格達(dá)奇4次，遼寧建平、新疆阿勒泰各2次，河南商丘1次，新疆克拉瑪依1次。

不是每年都會(huì)出現(xiàn)北極光，從1956年～2015年60年中只觀測到33年次，占總年次的55%。60年來共出現(xiàn)74次，年平均為1.2次。出現(xiàn)最多的年代為20世紀(jì)80年代共29次，50年代次之共23次，60年代和90年代最少僅4次。出現(xiàn)最多的年份是1989年共9次。

北極光四季都可以出現(xiàn)。極光活動(dòng)有較明顯的季節(jié)變化，出現(xiàn)最多的季節(jié)是冬季23次，春季次之為20次，秋季為18次，夏季最少為13次。從月份來看，12個(gè)月中都出現(xiàn)了北極光，出現(xiàn)最多的月份是4月為11次，9月次之為10次，1月、5月最少各為1次。

漠河一日內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)一般為1～2次，出現(xiàn)次數(shù)最多的一日是1981年10月22～23日（跨日界）出現(xiàn)4次，合計(jì)3小時(shí)31分鐘。開始時(shí)間最早的是1983年2月16日17時(shí)31分，該日日落時(shí)間是16時(shí)56分。結(jié)束時(shí)間最晚的是1979年2月22日05時(shí)30分，該日日出時(shí)間是07時(shí)00分。

持續(xù)時(shí)間最長的一次是小興安嶺1959年7月15日（北京時(shí)）共4小時(shí)37分（21時(shí)58分～02時(shí)34分），其次是加格達(dá)奇1980年12月20日共3小時(shí)15分鐘（0時(shí)0分～03時(shí)15分）。持續(xù)時(shí)間最短的一次是漠河1984年4月14日，僅4分鐘（21時(shí)34分～37分）。

出現(xiàn)范圍最大的一次是1982年6月19日，黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、河南、山東、山西等地均觀測到此次極光。

影響極光觀測的主要因素

除受太陽活動(dòng)強(qiáng)度、太陽黑子數(shù)和地磁緯度影響外，天氣條件是影響極光觀測的主要原因。天氣條件對(duì)觀測極光有很大的影響。只有在夜間無云或少云、無霧、無風(fēng)，沒有空氣污染，能見度極好的情況下才能看到。如果天空多云或陰，即使出現(xiàn)極光，卻被云層所遮擋也難以觀測到。如果出現(xiàn)降雨、降雪、大霧、煙幕和霾等天氣，有效能見度降低，也是看不到極光的。因此，無論是弱極光區(qū)還是微極光區(qū)，受天氣條件影響，出現(xiàn)極光時(shí)有的地方觀測到，有的地方?jīng)]有觀測到。漠河位于中國最北部，其地理位置和地磁緯度決定了漠河是中國觀測北極光的最佳地方，但不是唯一的地方。雖然在其它微極光區(qū)看到的幾率小，但在太陽活動(dòng)極大年時(shí)也有看到的可能。中國古代黃河流域及以南地區(qū)和近代北方地區(qū)多次觀測到了北極光，就是很好的證明。

漠河不是經(jīng)常出現(xiàn)北極光，也不會(huì)定期出現(xiàn)。很多人由于對(duì)天文及極光現(xiàn)象缺乏了解，在觀測北極光時(shí)很容易造成誤判。許多外地游客以為到了漠河就能看到北極光，這是不現(xiàn)實(shí)的。網(wǎng)絡(luò)上傳播的“夏至前后9天可以看到北極光”，更是一種自欺欺人和誤導(dǎo)。

有人以為漠河在夏至之日會(huì)出現(xiàn)極晝，而且只有在夏至?xí)r才能看到北極光；也有人認(rèn)為漠河夏至是極晝之日，天空亮度大，是看不到北極光的；還有人認(rèn)為漠河冬至之日會(huì)出現(xiàn)極夜，只有這一天才能看到北極光；更有人因?yàn)闆]有看到過極光就否認(rèn)極光的存在。這些觀點(diǎn)都是錯(cuò)誤的。極光活動(dòng)僅和地磁活動(dòng)有關(guān)，而地磁活動(dòng)又和太陽活動(dòng)有關(guān)，太陽發(fā)生活動(dòng)是沒有特定日期的，因此，極光不會(huì)定期來訪。

眾所周知，只有在極地緯度≥66°33′地方才會(huì)出現(xiàn)永晝和永夜。由于漠河緯度只有52°58′，因此，漠河是不會(huì)出現(xiàn)極晝和極夜現(xiàn)象，只是夏至這一天夜長最短，冬至這一天夜長最長。極光都是出現(xiàn)在夜間，白天因天空亮度大，極光亮度小，所以白天是看不到極光的。觀測極光是在夜間，如果夏至之日出現(xiàn)極晝，而沒有夜晚，那么在全部24小時(shí)亮度都很強(qiáng)的情況下能看到極光嗎？所以說夏至出現(xiàn)極晝是不科學(xué)的，而又能看到北極光，更是自相矛盾。極光和極晝完全是兩回事。

通過計(jì)算得出，漠河夏至之日（2006年）天黑時(shí)刻為21時(shí)16分，天亮?xí)r刻為02時(shí)25分，夜長為5小時(shí)9分，具備了觀測極光的時(shí)間條件。雖然夏至前后晝長夜短，有效觀測時(shí)段少于其它月份，但在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在夏至之夜（1971年）確實(shí)有人看到了北極光，1982年6月19日和1989年6月23日都有極光觀測記錄，這足以證明漠河夏至前后是可以看到北極光的。

北極光在炎熱的夏季和寒冷的冬季都會(huì)出現(xiàn)，因此，極光現(xiàn)象與地表氣溫高低沒有關(guān)系。從農(nóng)歷月相分析，在新月、蛾眉月、上弦月、滿月、下弦月和殘?jiān)聲r(shí)均有極光出現(xiàn)，因此，極光出現(xiàn)與月相也沒有關(guān)系。在漠河看到的北極光出現(xiàn)的方位主要為正北方，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在偏東北或偏西北，但不會(huì)出現(xiàn)正西、正東和正南。

北極光也不會(huì)連續(xù)幾天在同一地點(diǎn)和同一時(shí)刻出現(xiàn)、在同一時(shí)刻消失。極光出現(xiàn)在85公里以上的大氣高層，而不會(huì)出現(xiàn)在近地面。有些外來游客對(duì)極光現(xiàn)象缺少了解，誤把火燒云、夜光云、霞光、暈和華等光電現(xiàn)象當(dāng)成了極光，甚至有人把遠(yuǎn)處車燈、射燈發(fā)出的光亮和不明發(fā)光飛行物體也當(dāng)成了極光，這都是錯(cuò)誤的。

北極光令人神往，但因其不可預(yù)見，無規(guī)律可循，且出現(xiàn)的次數(shù)少、持續(xù)時(shí)間短，可謂是難得一見，可遇不可求，只有那些幸運(yùn)的人們觀看到了北極光。漠河是全國觀賞北極光和“白”晝勝景的最佳之地，北極光已成為漠河人民的“吉祥之光”。從1991年開始，漠河每年夏至之日都要舉辦北極光節(jié)，現(xiàn)已成功舉辦了32屆。每到北極光節(jié)期間都會(huì)有大批國內(nèi)外游客來到漠河，在此等待北極光神奇天象的降臨。

參考文獻(xiàn)

[1] 莊天山.關(guān)于中國歷史上“極光記錄”的選擇原則[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版):1995,(1):37-46,23.

[2] 張之锜.極光的色彩、形狀與成因機(jī)制[J].氣象.1983,9(5):31-32.

[3] 張滬英,項(xiàng)田華.特殊光現(xiàn)象個(gè)例分析[J].黑龍江氣象.1996,(1):40-41.

[4] 楊友華,湯克云,袁亞萍等.南極中山站夜間極光特點(diǎn)[J].地球物理學(xué)報(bào).1999,42(6):863-866.

[5] 吳樹森,張春梅.漠河極光現(xiàn)象特征分析[J].黑龍江氣象.2006,23(3):44-45.

[6] 朱崗崑.極光故事與探索[M].北京:氣象出版社.2006,1-75.

[7] 朱崗崑,洪明華.關(guān)于南極光研究[J].地球物理學(xué)報(bào).1999,42(6):858-860.

[8] 朱炳海,王鵬飛等.氣象學(xué)辭典[M].上海:上海辭書出版社.1985,346.

[9] 葉叔華.簡明天文學(xué)詞典[M].上海:上海辭書出版社.1986,309-310.

[10] 成都?xì)庀髮W(xué)院.氣象學(xué)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社.1979,255-257.

[11] 張德二.我國古代對(duì)大氣光象的一些認(rèn)識(shí)[J].氣象.1978,4(8):31-33.

[12] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京:氣象出版社.1979,23.

[13] 李報(bào)國,曾強(qiáng)吾.奇異的天氣現(xiàn)象[M].北京:氣象出版社.1983,16-19.

[14] 郭旭年.6月18日夜觀測到極光[J].氣象.1982,8(10):23.

[15] 朱永寬.1982年6月18日夜的極光[J].氣象.1983,9(1):43.

[16] 郭文華**.**遼寧4月9日又看到極光[J].氣象.1984,10(6):21.

[17] 于今昌.物理故事300篇[M].北京:北方婦女兒童出版社.1996,12.

[18] 北京天文臺(tái).中國古代天象記錄總集[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.1988,25-65.

[19] 羅漢民,吳詩敦,譚克光.氣候?qū)W[M].北京:氣象出版社.1980,4-5.

[20] 吳樹森,桂翰林,吳淑琴.漠河日照與晝夜長短變化及計(jì)算方法[J].黑龍江氣象.2011,28(1):25-26,31.

[21]吳樹森,劉晶,徐艷華等.基于漠河1956～2010年目測極光特征分析[J].黑龍江氣象.2016,33(1):40-42.

（封面圖片為2021年10月15日加拿大出現(xiàn)的極光，攝影 大楊 ）

（版權(quán)所有，借用轉(zhuǎn)發(fā)請告之）