揭开北极光神秘的面纱

吴树森

长期以来，由于科学知识的贫乏，人们对北极光现象一直众说纷纭。有人认为：它是地球外缘燃烧的大火；有人则认为，它是夕阳西沉后，天际映射出来的光芒；还有人认为，它是极圈的冰雪在白天吸收储存阳光之后，夜晚释放出来的一种能量。各种传说为北极光朦上了一层神秘面纱。直到20世纪60年代，科学家将地面观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，才逐步形成了极光的物理性描述。极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当它们进入极地的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞并激发，产生光芒，这种在极地形成的光在天文学上就称为“极光”，在北极地区形成的叫北极光，在南极地区形成的叫南极光。

极光的形成三大要素

极光的形成有三大要素：太阳风、地球磁场和大气。所谓“太阳风”，是太阳对宇宙不断放射的一种能量，它是由电子与质子所组成，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流。太阳风的强弱，是极光暴发规模大小的先决条件。

地球磁场亦称“地磁场”。在北极附近的称为“磁北极”，在南极附近的称为“磁南极”。受地球磁场的作用，由太阳发出的高速带电粒子沿着磁场线，大约以400 km/s的速度撞击地球磁场两极。所以极光常见于地球两极的高磁纬地区。

高层大气是极光的舞台，由于太阳的激烈活动，放射出无数的带电微粒，受地球磁场的影响，这些带电粒子便沿着地球磁力线高速进入到南北磁极附近的高层大气中，与氧原子、氮分子等质点碰撞，产生了“电磁风暴”和“可见光”的现象，这些缤纷的色彩组成了绮丽壮观的极光景象。

地磁磁纬与极光出现区域

极光不只在地球上出现，具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星、土星和水星都出现过极光。在地球上能否看到极光与所处地磁纬度有直接关系。需要指出的是，地球磁纬与地理纬度并不是一回事，地球的磁极和地理的南北极并不重合，地磁纬度与地理纬度不在一条线上。地极和磁极之间有大约11°的夹角，极光圈并不是以地理极点为圆心的同心圆，而是“倾斜的”。这是因为地球磁场每年都在变化，地磁极的位置也在变化。根据1975年测定，磁北极的地理坐标为北纬76°6′，西经100°，2001年磁北极为北纬81°18′，西经110°48′。

在大约离磁极25°～30°的范围内常出现极光，这个区域称为极光区。长期观测统计结果表明，极光最常出现在南北磁纬度67°附近的两个环状带区域内，分别称作北极光区和南极光区。北半球的极光区以阿拉斯加、北加拿大、西伯利亚、格陵兰冰岛南端与挪威北海岸为主。北极圈附近阿拉斯加的费尔班克斯更赢得“北极光首都”的美称，一年之中有超过200天的极光现象。

在地磁纬度60°～45°之间的区域称为弱极光区，北美、北欧主要城市都处在弱极光区，这些地区看到极光的几率也比较大。地磁纬度低于45°的区域称为微极光区，亚洲大部、欧洲南部处在微极光区，这些地区看到极光的几率很小。从极光3个区域分析，越靠近北磁极，出现极光的几率越大。如果太阳活动比较平静，一般只有高纬度地区可以看到极光，中低纬度地区看到极光的几率要小。如果是太阳活动极大年，甚至一些中低纬度地区也可以看到极光。因此，能否看到极光还取决于太阳活动的强弱。

我国城市磁纬和极光区域

日本学者利用我国的极光记录研究历史上地磁轴的运动倾向，并得出公元11～12世纪地磁轴倾向于我国的结论。目前，北半球地磁极比自转轴更倾向于北美，因此，北美的加拿大和美国具有得天独厚的优势，加拿大和美国的某一地区比亚洲的同一纬度地区更容易看到极光。由此得出，极光出现的几率不仅和纬度有关，与经度也有很大关系。如果甲乙两地纬度相同，但经度越靠近地磁轴，磁纬也就越高，而磁纬越高越容易看到极光。

虽然我国漠河地理纬度略高于温哥华，但磁纬却低于温哥华7°；哈尔滨地理纬度略高于多伦多，但磁纬却低于多伦多14°；北京与纽约处于同一地理纬度，但磁纬却低于纽约18°，纽约出现极光的几率远大于北京。就我国而言，地理位置越靠北，地磁纬度越高。漠河地理纬度为52°58′，地磁纬度为47°，是中国地理纬度和地磁纬度最高的地方，是最容易看到极光的地方。除漠河处在弱极光区南端之外，其它地区地磁纬度都低于45°，处在微极光区。东北地区、内蒙古大部、新疆北部处在磁纬约35°以北，这些地区都有大小不等的几率观测到极光。

极光的形状

极光是一种大自然天文奇观，它没有固定的形态，一般呈带状、弧状、幕状、放射状等。从科学研究的角度，人们将极光按其形态特征分成五种：一是底边整齐微微弯曲的圆弧状的极光孤；二是有弯扭折皱的飘带状的极光带；三是如云朵一般的片朵状的极光片；四是像面纱一样均匀的帐幔状的极光幔；五是沿磁力线方向的射线状的极光芒。极光的运动变化，有时稳定，有时作连续性变化，它以天空为舞台，上下纵横成百上千公里，蔚为壮观。一次强烈或维持时间较长的极光过程也可以变幻成多种形状。

在我国漠河等地出现的极光，形态一般比较稳定，没有明显变化，发光均匀的幕状、放射状是最稳定的外形。有的像一条彩带稳定少动，有的像球状般密聚在一起，如同云雾，有的像一张五光十色的巨大银幕挂在天上，有的形成一排色彩斑斓的光柱射向天空。当极光强烈时，其形状变幻莫测，时而膨大，时而缩小，忽远忽近；有时犹如被风吹动的轻纱，呈现波浪状涌动，有时像彩绸一样在夜空中幔舞。

极光的颜色

极光由初升到消逝，其间变幻神奇莫测，色彩也会发生变化，缤纷奇丽。对于地球上的极光而言，绿色是最为常见的颜色，但是红色、白色和蓝色也会时常出现。极光的色彩和其成因有很大关系。高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的颜色也不一样。当大量高能带电粒子沿磁力线穿越电离层时，与气体原子和分子相撞击，释放出大量的能量，不同的分子、原子发生不同颜色的光，例如氧发出绿色和红色的光，氩发出蓝色的光，氮发出紫、蓝和一些深红色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。漠河出现的放射状极光，就是这些单色光混合在一起，形成以红色为主的七彩光柱。

我国极光出现的次数

早在2000多年前，中国就开始观测极光，虽然未能解释它的物理实质，但留下了丰富详尽的极光记录。近代气象学上把极光解释为“在高纬地区（主要是在极地），在高层大气中以射线、弧、带、帷幔或冠冕等到形状而出现的一种特殊的发光现象。建国以来，气象台站也把极光做为天气现象进行记录。每个天气现象都有特定的符号，极光的符号是用“ ”表示。由于漠河是中国观测极光的最佳地方，观测到的极光次数最多，记录最完整，是我国研究极光的宝贵资料。

近30年来，在全国民间发现极光的传说广为流传，报纸、期刊、电视及网络等媒体也多次出现极光的报道，还有外地游客在漠河也看到了北极光。据笔者调查统计，我国1956～2015年北极光出现次数共74次（排除日期不详和疑似极光），其中：气象部门有极光观测记录共53次，通过地方志、书刊、网络和民间等收集到的极光记录共21次。

按照11～2月为冬季，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～10月为秋季的四季划分方法，日界采用世界时（以20时为日界），从现有气象观测数据和相关资料统计分析，出现极光最多的地方是黑龙江漠河共58次，其他各地出现次数依次为呼玛8次，齐齐哈尔5次，加格达奇4次，辽宁建平、新疆阿勒泰各2次，河南商丘1次，新疆克拉玛依1次。

不是每年都会出现北极光，从1956年～2015年60年中只观测到33年次，占总年次的55%。60年来共出现74次，年平均为1.2次。出现最多的年代为20世纪80年代共29次，50年代次之共23次，60年代和90年代最少仅4次。出现最多的年份是1989年共9次。

北极光四季都可以出现。极光活动有较明显的季节变化，出现最多的季节是冬季23次，春季次之为20次，秋季为18次，夏季最少为13次。从月份来看，12个月中都出现了北极光，出现最多的月份是4月为11次，9月次之为10次，1月、5月最少各为1次。

漠河一日内出现次数一般为1～2次，出现次数最多的一日是1981年10月22～23日（跨日界）出现4次，合计3小时31分钟。开始时间最早的是1983年2月16日17时31分，该日日落时间是16时56分。结束时间最晚的是1979年2月22日05时30分，该日日出时间是07时00分。

持续时间最长的一次是小兴安岭1959年7月15日（北京时）共4小时37分（21时58分～02时34分），其次是加格达奇1980年12月20日共3小时15分钟（0时0分～03时15分）。持续时间最短的一次是漠河1984年4月14日，仅4分钟（21时34分～37分）。

出现范围最大的一次是1982年6月19日，黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、河南、山东、山西等地均观测到此次极光。

影响极光观测的主要因素

除受太阳活动强度、太阳黑子数和地磁纬度影响外，天气条件是影响极光观测的主要原因。天气条件对观测极光有很大的影响。只有在夜间无云或少云、无雾、无风，没有空气污染，能见度极好的情况下才能看到。如果天空多云或阴，即使出现极光，却被云层所遮挡也难以观测到。如果出现降雨、降雪、大雾、烟幕和霾等天气，有效能见度降低，也是看不到极光的。因此，无论是弱极光区还是微极光区，受天气条件影响，出现极光时有的地方观测到，有的地方没有观测到。漠河位于中国最北部，其地理位置和地磁纬度决定了漠河是中国观测北极光的最佳地方，但不是唯一的地方。虽然在其它微极光区看到的几率小，但在太阳活动极大年时也有看到的可能。中国古代黄河流域及以南地区和近代北方地区多次观测到了北极光，就是很好的证明。

漠河不是经常出现北极光，也不会定期出现。很多人由于对天文及极光现象缺乏了解，在观测北极光时很容易造成误判。许多外地游客以为到了漠河就能看到北极光，这是不现实的。网络上传播的“夏至前后9天可以看到北极光”，更是一种自欺欺人和误导。

有人以为漠河在夏至之日会出现极昼，而且只有在夏至时才能看到北极光；也有人认为漠河夏至是极昼之日，天空亮度大，是看不到北极光的；还有人认为漠河冬至之日会出现极夜，只有这一天才能看到北极光；更有人因为没有看到过极光就否认极光的存在。这些观点都是错误的。极光活动仅和地磁活动有关，而地磁活动又和太阳活动有关，太阳发生活动是没有特定日期的，因此，极光不会定期来访。

众所周知，只有在极地纬度≥66°33′地方才会出现永昼和永夜。由于漠河纬度只有52°58′，因此，漠河是不会出现极昼和极夜现象，只是夏至这一天夜长最短，冬至这一天夜长最长。极光都是出现在夜间，白天因天空亮度大，极光亮度小，所以白天是看不到极光的。观测极光是在夜间，如果夏至之日出现极昼，而没有夜晚，那么在全部24小时亮度都很强的情况下能看到极光吗？所以说夏至出现极昼是不科学的，而又能看到北极光，更是自相矛盾。极光和极昼完全是两回事。

通过计算得出，漠河夏至之日（2006年）天黑时刻为21时16分，天亮时刻为02时25分，夜长为5小时9分，具备了观测极光的时间条件。虽然夏至前后昼长夜短，有效观测时段少于其它月份，但在调查中发现，在夏至之夜（1971年）确实有人看到了北极光，1982年6月19日和1989年6月23日都有极光观测记录，这足以证明漠河夏至前后是可以看到北极光的。

北极光在炎热的夏季和寒冷的冬季都会出现，因此，极光现象与地表气温高低没有关系。从农历月相分析，在新月、蛾眉月、上弦月、满月、下弦月和残月时均有极光出现，因此，极光出现与月相也没有关系。在漠河看到的北极光出现的方位主要为正北方，有时也会出现在偏东北或偏西北，但不会出现正西、正东和正南。

北极光也不会连续几天在同一地点和同一时刻出现、在同一时刻消失。极光出现在85公里以上的大气高层，而不会出现在近地面。有些外来游客对极光现象缺少了解，误把火烧云、夜光云、霞光、晕和华等光电现象当成了极光，甚至有人把远处车灯、射灯发出的光亮和不明发光飞行物体也当成了极光，这都是错误的。

北极光令人神往，但因其不可预见，无规律可循，且出现的次数少、持续时间短，可谓是难得一见，可遇不可求，只有那些幸运的人们观看到了北极光。漠河是全国观赏北极光和“白”昼胜景的最佳之地，北极光已成为漠河人民的“吉祥之光”。从1991年开始，漠河每年夏至之日都要举办北极光节，现已成功举办了32届。每到北极光节期间都会有大批国内外游客来到漠河，在此等待北极光神奇天象的降临。

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（封面图片为2021年10月15日加拿大出现的极光，摄影 大杨 ）

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