極光

極光

我們常常在高緯度地區,像是歐洲的芬蘭、美國的阿拉斯加……等等,可以看到高空有如同簾幕般的色光,我們稱之為「極光」。

那你有沒有思考過,除了地球上有極光出現,太陽系中的其他行星,有沒有極光呢?

要回答這個問題,我們首先要從極光的形成原理出發:

極光和太陽風、地球磁層的互動息息相關。地球本身有磁場,會在地球周圍形成一圈磁層;而當太陽風──也就是太陽發出的高能帶電粒子──到達地球附近時,帶電粒子會受到磁場的影響而轉向,使地球免於受到高能粒子的襲擊。

當太陽風進入地球磁場的影響範圍時,太陽風擠壓地球磁層、同時減速,當太陽風從超聲速減緩到次聲速時,這個位置被稱為弓形震波(Bow Shock)。過了弓形震波區域,太陽風仍會繼續朝向地球前進,進入磁鞘(Magnetosheath),但速度持續減緩,直到磁層頂(magnetopause)──太陽風的動能和地球的磁能達到平衡,磁層頂就如同一條橫溝,太陽風粒子無法繼續前進地球,只能飲恨沿著地球周圍繞過去。

太陽風與地磁的交互作用

接下來,我們要用數學來看磁層頂位置的平衡狀態:太陽風造成的壓力和磁層造成的壓力達到平衡,我們可以得到以下這條式子

(1) : 太陽風帶電粒子運動,擠壓地球磁層產生的壓力。

(2) : 太陽風帶電粒子運動產生的磁場,擠壓地球磁層產生的壓力。

(3) : 地球磁層內的帶電粒子運動時,擠壓太陽風產生的壓力。

(4) : 地球磁場擠壓太陽風帶電粒子產生的壓力。

其中,帶電粒子運動產生的壓力稱為動壓,就跟空氣分子撞擊容器壁產生壓力的概念相似。

由於太陽風粒子運動速度( )很大,數量級為 ,太陽風粒子運動造成的磁壓相對較弱、動壓較強;而對於地球磁層來說,帶電粒子濃度( )較低,相對於帶電粒子造成的動壓,地球磁場造成的磁壓較強。因此,我們可以簡化原先的式子,忽略太陽風磁壓和地球磁層動壓

我們可以從這條新式子計算出磁層頂的位置大約在10倍地球半徑的位置,到了這裡,太陽風就無法再越雷池一步了。

從剛剛的描述,我們知道很多太陽風粒子受到地球磁場的影響,繞著地球周圍離開,但也有部分太陽風粒子被地球磁場束縛住,螺旋繞行地球磁場的磁力線,進入地球大氣層,而這個位置就位於南北極區,被稱為Polar Cusp。

太陽風與地磁的交互作用

太陽風發出的高能帶電粒子沿著磁力線進入地球南北極的大氣層,會和大氣層中的氣體分子、原子碰撞,讓它們變成激發態,當它們要回到基態時,就會以光的形式放出能量。而我們最常看到的綠色極光,是因為高空(90~120 km高)的氧原子回到基態放出的光芒剛好落在綠色光的波段。

當粒子從激發態回到基態放出光

最後,我們回想一下最初的問題:太陽系其他行星是否也有極光呢?

從剛剛極光發生的原理,如果你想在太陽系某顆行星上看到極光,那麼這顆行星必須要有大氣以及全球性磁場。

八大行星當中,火星與金星沒有全球性磁場,火星與水星幾乎沒有大氣,所以能夠看到極光的太陽系行星,就只有類木行星和地球哦!

木星的極光