揭秘天空画布——炫彩极光背后的原理

发布时间: 2024-06-06 13:38:42    来源:中国气象报社

 编者按:近期,我国黑龙江、新疆、甘肃、内蒙古等多地出现极光现象,极光爱好者们纷纷用镜头记录下来自宇宙的梦幻光影。极光为何呈现出不同的颜色?美丽的极光是如何产生的?我国哪些地区可以看到极光?追逐极光有哪些小秘诀?本期科普看台带您一探究竟。

撰文/特约专家:

国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)空间天气预报台台长 郭建广

国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)高级工程师 韩大洋

南极中山站极光 图/赵勇

美丽极光因何生?

 说起极光活动,我们要先从太阳活动区以及太阳耀斑说起。

 太阳活动区是太阳表面磁场能量集中的区域,同时也是表面温度较低、各类活动最为频繁的区域,其外在表现为出现在太阳表面的黑斑,它的另一个名字大家或许更熟悉一些——太阳黑子。

 太阳耀斑就是发生在太阳黑子区域强烈的闪光现象,根据目前人类对太阳及其物理过程的认知和探测来看,耀斑是太阳内部磁场能量在短时间内以光能为主要形式的快速释放。一旦发生,会对整个面向太阳的地球区域造成照射,进而影响高层大气结构。

 从5月3日起,国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)在国家突发事件预警信息发布系统先后多次发布了太阳大耀斑警示信息。细心的你可能会感到奇怪,地磁暴和极光于5月10日晚间便已发生,如果说5月3日发生的太阳耀斑是引发这些现象的原因,那么耀斑以光速发出后,应该在大约8分30秒之后就可到达地球,但这中间足足间隔了近一星期,为何会存在这么大的时间差呢?

 原因很简单,因为制造地磁暴和极光的并不是耀斑,而是伴随耀斑爆发一同出现的日冕物质抛射。但并不是每次耀斑爆发之后都会产生日冕物质抛射。以此次造成地球超大地磁暴的事件为例,太阳活动区13663先是在5月3日至8日连续爆发了多次X级大耀斑,但均没有产生明显的日冕物质抛射活动,直到活动区13664的“出场”。它在5月8日至10日先后5次爆发X级大耀斑,几乎每次耀斑都产生了日冕物质抛射。试想,一次耀斑爆发过程中,数亿吨的日冕物质被加速到接近1000千米/秒的速度,并飞向太阳之外的太空,其威力可想而知。

 当这些日冕物质(或能量粒子)与地球发生“碰撞”后,由于其本身主要携带的电子,会被地磁场“引导”着飞向南北极区,并在与大气层接触的过程中发生能量交换和发光现象,而地磁场原本的平静状态也在这个过程中被打破,开始发生短时明显的变化,即地磁暴,这也就是为什么我们常说极光是地磁暴副产物的原因了。

新疆阿勒泰极光 图/戴建峰

极光如何被预报?

 看到这里,聪明的小伙伴们,已经若有所思了。从活动区到耀斑爆发,再到发现日冕物质从太阳表面喷发而出,这不就能判断地球会不会发生地磁暴了嘛。因为伴随着地磁暴的出现,极光就可能发生。我们通过监测太阳的爆发活动,就可以对可能出现的极光活动作出预判。

 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心,以下简称“空间天气中心”)在业务级预报中,把这个简单的逻辑做了高度的细化。

 首先,借助太空中的卫星和地面上的观测台站共同组成的立体观测网,对太阳活动区进行365天×24小时的连续监测,获取活动区磁场、结构、面积的关键信息,时刻掌握太阳的一举一动,对其未来可能出现的活动作出预判;其次,当这些重点监测对象发生变化,即出现爆发活动时,便可快速获取相关要素信息,比如耀斑中X射线流量的强度,有没有伴随着发生日冕物质抛射。如果有日冕物质抛射,则要对其发生位置、抛射速度和形态、扩散角度等进行计算,从而判断出其是否会形成与地球的碰撞风险。另一方面,借助数值模式和高性能计算机的运算,模拟抛射出的日冕物质在到达地球之后可能产生的影响;最后,则是整合各类预报信息,经过会商,形成一致的预报结果,再针对不同的行业领域,有所侧重地发布相关预报预警信息,以及极光预报。

 从2023年开始,空间天气中心初步研发了针对极光活动的3天预报和1小时临近预报,以及极光发生时的同步现报,并通过官方微信、微博、短信等渠道对外发布。

 极光预报经过空间天气中心内部测试后,已与地方气象部门、文旅单位、极光摄影师等成功开展合作公测。3天预报提前规划观测行程,1小时临近预报辅助提醒摄影师做好观测准备,现报短信告知大家“开始!拍摄!”,几轮测试下来,帮助“极光猎人”成功蹲守到极光。

极光图 图/千库网

炫彩极光哪里来?

 极光常见的颜色以红色、绿色、紫色等为主,有时也会出现黄色、粉色的极光,比如在此次极光现象中,我国出现的极光绝大多数为红色,少部分地区的目击记录中出现了绿色和紫色的极光。

 那么极光呈现出的颜色由什么决定呢?这主要是由大气微粒的种类,以及它们在与能量粒子碰撞时所产生的能量变化所决定。

 当处在地球上空300—400千米高度的氧原子,与来自太阳的高能带电粒子相遇时,碰撞的过程使得氧原子的核外电子吸收了额外的能量。但由于原子结构的特殊性,决定了核外电子与原子核之间只能容纳固定大小的能量,超出的部分能量会被快速释放,在释放的过程中就会形成发光现象,也就是极光。而氧原子的核外电子所释放出的能量刚好对应红光波长,看起来就是红色的极光。而绿色的极光,则是来自200千米左右高度的氧原子,被次级电子撞击激发时所形成的发光现象。

 如果来自太阳的高能带电粒子还有能量继续“下冲”,那么就会与100千米左右高度的氮分子相遇,此时就会产生紫色的极光。

 正是由于地球大气中含有不同的气体微粒,再加上这些来自太阳的“问候”时强时弱,其进入地磁场下沉到大气中的形态也在不断发生变化,所以我们看到的极光才会是灵动无比而又绚丽多姿的。


极光的颜色

 大部分极光集中在地球上方的90—400千米

极光何处来“现身”?

 

 5月10日、11日晚上,全国各地的“极光猎人”或单枪匹马,或组队成团,驾车奔向没有城市照明光污染、视野开阔的高地。

 伴随着太阳风暴带来强劲的高能粒子注入地球大气层,绚丽的极光如约而至,不同于以往的是,这次极光在我国多地都有“动静”。据不完全统计,新疆、内蒙古、黑龙江、辽宁、北京、河北、山东、山西、甘肃、青海等地都有公众拍摄到了清晰的极光影像。

观赏极光小贴士

  关注空间天气预报

 预测极光最常见的是全球磁场指数(即KP指数),KP指数分为十级,由0到9,数值越大,极光的强度越大,能看到极光的范围也越广。一般来说,KP指数等于3时,极光就处于活跃状态。而KP指数大于5时,就算是极光爆发了。

  关注天气情况

 当天的云层覆盖情况是影响极光的重要因素,虽然晴天不一定就能观测到极光,但是晴朗的天气,相对来说云层较薄,不会把极光遮挡,所以要选一个万里无云的好天气。

  考虑环境因素

 观看极光的最好去处是拥有良好的暗夜环境,光污染较弱,且视野开阔的地带。

(作者:李倩 责任编辑:曹锐怡)


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