極光是如何形成的？

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。