数千年来，极光一直激励着人类。他们的秘密在于电磁学。

400 多年后，我们现在了解了极光背后的机制，当它们出现在南半球时，被称为南极光。我们将使用“极光”来使事情变得简单——尽管稍后我们将深入探讨两者之间的一些有趣差异。

极光是如何形成的

挪威科学家 Kristian Birkeland（1867-1917）首先提出极光与来自太阳的电磁活动有关。虽然他的理论在他有生之年受到强烈质疑，但后来被证明是正确的。极光的起源在于来自太阳和地球大气层的带电粒子的混合。

太阳发出的不仅仅是我们能看到的光，它还发出太阳风，一种带电粒子流——主要是质子和电子——以数十亿英里的长弧形扩散到太阳系的其余部分。这种风携带了一些太阳磁场，并产生了通常所说的一种空间天气，可以极大地影响行星的大气层。

2021 年 10 月 31 日的太阳耀斑。资料来源：美国宇航局

太阳的外缘日冕是一个特别活跃的区域，对这种“天气”负主要责任。它的湍流等离子体池和巨大的磁环携带着这种带电粒子等离子体，加热到太阳引力无法再控制它的程度，然后进入太阳系。

在太阳风离开太阳表面几天后，这种带电粒子的爆发到达地球。如果这听起来很激烈，那是因为——如果不是因为我们星球的磁层，太阳风会剥离保护我们免受太阳紫外线辐射的地球大气层。

科学家们认为，由于火星在大约 40 亿年前失去了自己的磁层，行星的大气层被剥离，导致我们今天看到的岩石贫瘠的景观。

这些带电粒子（离子）最终到达的极地周围的区域称为电离层，它形成了太空真空和低层大气之间的边界。

当电离层从进入的太阳风中吸收能量时，太阳粒子会与电离层中的氧和氮相互作用。这确实是导致极光发光的原因。地球大气层中的气体被太阳的离子激发，但只是短暂的一段时间，这些离子以梦幻般的闪光——极光——释放储存的能量。

只有当发生数十亿次这样的碰撞时，我们才能看到广为人知的极光。不同的气体会发出不同颜色的极光。氧气产生了极光标志性的绿黄色和红色调，而氮气则发出红色或蓝色的光，通常会出现紫色阴影——就像斯夸尔恰卢皮在 1580 年 9 月的那个晚上看到的极光一样。

何时何地可以看到极光

因为极光是由带电的太阳粒子和地球磁层将它们驱动到两极的混合产生的，所以观看它们的最佳地点是两个半球的高纬度地区。加拿大、冰岛、挪威和芬兰是观赏北极光的好地方，而澳大利亚、新西兰和南极洲的部分地区则是仅有的一些可以看到南极光——南极光的地方。

通常出现极光的区域称为极光环，虽然越靠近这些环，看到它们的机会确实会增加，但有时北极光会向南延伸更远（而澳大利亚极光则向北延伸） ） 比平常。

虽然北极光和南极光来自同一个对称排列的磁场，但该磁场可以根据接近它的太阳风的强度、强度和角度弯曲和移动。

太阳的磁场并非在任何时候都同样活跃。我们的恒星有规律地经历所谓的太阳周期，这是一个 11 年的过程，其中它的磁场实际上翻转，两个半球的极性反转为相反。太阳周期的开始以少量太阳黑子为标志，此时太阳最不活跃，这意味着地球上出现强烈极光的几率较低。

我们当前的周期，即太阳周期 25（自 1755 年开始对太阳黑子活动进行广泛记录以来一直在跟踪周期），始于 2020 年。美国国家海洋和大气管理局的科学家预测，太阳周期将在 2025 年 7 月达到顶峰，这意味着极光在此期间更有可能发生。

强烈的太阳风暴会显着增加从太阳发出的带电粒子的数量，甚至会导致极光到达南至热带地区，就像它们在 1859 年臭名昭著的卡林顿事件中所做的那样。 那次事件是地磁风暴的结果它起源于至少一次日冕物质抛射，并导致世界各地的电力服务大范围中断。

太阳耀斑、日冕物质抛射和地磁风暴如何影响地球

地磁风暴是地球磁层中的重大干扰。它们是由太阳耀斑或它们更强烈的表亲日冕物质抛射等事件引起的。

当它的等离子体流动和搅动时，太阳的磁场本身就会“纠缠”起来。为了恢复到更“放松”的状态，这些被称为磁通绳的扭曲和打结的磁性区域会重新排列自己，吸收大量的能量和等离子体，这些能量和等离子体会涌入太阳系。

太阳耀斑是高能电磁辐射的强烈释放。释放的大量能量能够加速对地球电离层产生影响的高能粒子。GPS 和无线电信号穿过电离层，因此其成分的任何变化都会影响这些信号，太阳耀斑甚至可能导致导航和通信系统完全停电。然而，当太阳耀斑发生在面向地球的太阳一侧时，它们会撞击地球。

科学家们仍在大量了解地球和太阳之间的电磁关系，我们很可能会在未来几十年内发现有关这种相互作用的一些有趣的事情。

从我们的历史角度来看，我们可以看到极光背后的物理学，以及那些努力研究这些系统如何运作的人的奉献精神，与极光本身所闻名的空灵之美一样引人注目。Squarcialupi 并不是第一个惊叹于极光的人，但他的话和他的信息仍然是一个极好的提醒，即物质和超然物质经常相互联系在一起。我们都应该牢记这一点。