作者：李會(huì)超 （中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心）

2017年9月5日，NASA為了紀(jì)念旅行者號(hào)計(jì)劃實(shí)施40周年，向旅行者1號(hào)和2號(hào)飛船發(fā)出了“你在繁星間帶去友誼，你并不孤單”的問(wèn)候。

似乎是為了配合這一紀(jì)念活動(dòng)，太陽(yáng)在其表面釋放了兩朵燦爛的煙花：北京時(shí)間9月6日17時(shí)10分和19時(shí)02分，編號(hào)為AR2674的太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)爆發(fā)了兩個(gè)能量巨大的太陽(yáng)耀斑。隨之發(fā)生的日冕物質(zhì)拋射在9月7日—9日到達(dá)地球。 

(SDO飛船拍攝的太陽(yáng)耀斑大爆發(fā)。圖中顯示的時(shí)間為UTC時(shí)，即北京時(shí)間前推8小時(shí)。)

耀斑和日冕物質(zhì)拋射將會(huì)給航天、導(dǎo)航、通訊、電力等方面的設(shè)施造成影響。

因此，當(dāng)中美歐多家空間天氣預(yù)警機(jī)構(gòu)拉響空間環(huán)境的警報(bào)后，許多部門(mén)的工作人員就要忙碌起來(lái)，像地面上抗擊臺(tái)風(fēng)洪水一樣來(lái)采取措施了。

（大耀斑爆發(fā)瞬間，圖片來(lái)自SDO飛船兩個(gè)觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)的合成）

以上這些，似乎離普通人的生活都很遠(yuǎn)。

但耀斑和日冕物質(zhì)拋射帶來(lái)的絢爛的極光，卻是不少朋友向往的美景。

（拍攝者：Lauri Kangas  地點(diǎn)：加拿大安大略省Fort Frances  時(shí)間：9月8日 12:55）

極光什么時(shí)候發(fā)生？在什么地方才能看到極光？為什么身處我們國(guó)家很難有機(jī)會(huì)看到極光？

要了解這些問(wèn)題，還要從極光產(chǎn)生的原理說(shuō)起。

極光是如何產(chǎn)生的

（2013年10月1日，美國(guó)俄勒岡州上空的極光）

日冕物質(zhì)拋射（CME）會(huì)將大量的高速帶電粒子拋向地球。

由于我們的地球有著較強(qiáng)的地磁場(chǎng)，在地球上生活的人們不用擔(dān)心賴以生存的大氣層，會(huì)像火星大氣那樣被太陽(yáng)風(fēng)暴剝離。

然而，當(dāng)CME襲擊地球時(shí)，仍然能有一些帶電粒子能夠穿透地球的“鎧甲”，進(jìn)入地球磁場(chǎng)內(nèi)部。這是因?yàn)镃ME從太陽(yáng)附近攜帶而來(lái)的磁場(chǎng)像一把“鑰匙”，可以通過(guò)與地磁場(chǎng)的磁力線連接，打開(kāi)地球的“鎧甲”，將物質(zhì)和能量源源不斷地輸入到地磁場(chǎng)的內(nèi)部，觸發(fā)整個(gè)地磁場(chǎng)的劇烈變化。

（太陽(yáng)風(fēng)暴吹襲地球過(guò)程的示意圖，非實(shí)際觀測(cè)。）

來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子進(jìn)入到地球磁場(chǎng)，在經(jīng)歷一系列加速過(guò)程后，到達(dá)南極和北極的上空。

在那里，這些帶電粒子將和大氣中的氧、氮等元素的原子和分子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給大氣中的分子和原子，把他們激發(fā)到更高的能態(tài)。當(dāng)這些高能態(tài)的原子和分子回歸低能態(tài)時(shí)，會(huì)以發(fā)光的方式釋放能量，就形成了絢爛的極光。

極光為什么有各種顏色

當(dāng)原子躍遷跨越的能級(jí)不同時(shí)，極光的顏色也就會(huì)不同。

（拍攝者：Chris Cook  地點(diǎn)：美國(guó)馬薩諸塞州Cape Cod  時(shí)間：9月7日）

最常見(jiàn)的極光顏色是綠色，這種極光來(lái)自于氧原子在557.7納米波長(zhǎng)的輻射。 而紅色、藍(lán)色的極光在太陽(yáng)活動(dòng)非?；钴S時(shí)也可能出現(xiàn)。至于黃色和粉紅色的極光，則是紅色和綠色混合的結(jié)果。 

（2014年1月9日，一次CME吹襲地球在挪威上空引發(fā)的絢爛極光）

在哪里能看到極光

既然極光形成于南北極上空，來(lái)自CME對(duì)地磁場(chǎng)的影響，因此，影響你能否看到極光的因素也就有兩個(gè)：

離南北極是否足夠近，CME引發(fā)的地磁場(chǎng)活動(dòng)是否足夠強(qiáng)。

然而，與極光觀測(cè)相關(guān)的南北極是地球磁場(chǎng)的南北極，它們和由地球自轉(zhuǎn)軸定義的地理南北極存在偏差。地磁的南極相對(duì)于地理的北極向加拿大一帶偏離，而地磁的南極也不與地理的北極重合。

與地理緯度類似，我們用磁緯度來(lái)衡量一個(gè)地區(qū)離南北磁極的遠(yuǎn)近。磁緯度的數(shù)值一般和地理緯度不同，例如，中國(guó)的北京和美國(guó)的紐約都處在地理緯度的北緯40度附近，但紐約的磁緯約為50度，而北京的磁緯約為34度，在同樣的地磁活動(dòng)下，紐約將比北京更容易觀測(cè)到極光。 

（全球磁緯度等值線，可見(jiàn)他們并不和地理緯度線平行）

像我們用蒲氏風(fēng)級(jí)、里氏震級(jí)這些指標(biāo)來(lái)描述狂風(fēng)和地震強(qiáng)烈程度一樣，地磁活動(dòng)強(qiáng)弱也有指數(shù)衡量。

在這些指數(shù)中，與極光聯(lián)系最緊密的是Kp指數(shù)。

Kp指數(shù)越大，意味著越強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴在吹襲地球，產(chǎn)生極光的范圍就會(huì)向遠(yuǎn)離地磁南北極的方向擴(kuò)展，也就有越多的地區(qū)可以觀測(cè)到極光。

（美國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)中心繪制的Kp指數(shù)與激光擴(kuò)展范圍的關(guān)系圖。圖示區(qū)域?yàn)楸泵赖貐^(qū)。）

（美國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)中心繪制的Kp指數(shù)與激光擴(kuò)展范圍的關(guān)系圖。圖示區(qū)域?yàn)闅W亞地區(qū)。）

上面兩幅圖中標(biāo)識(shí)了不同Kp指數(shù)時(shí)極光出現(xiàn)區(qū)域的范圍。

由圖中可知，Kp指數(shù)為5時(shí)，加拿大和北歐諸國(guó)上空就會(huì)出現(xiàn)極光；當(dāng)Kp指數(shù)等于9時(shí)，美國(guó)一半的區(qū)域都將進(jìn)入極光出現(xiàn)的范圍，而我國(guó)只有東北地區(qū)的一小部分進(jìn)入了該范圍之內(nèi)。

Kp指數(shù)越大，出現(xiàn)的頻率就越低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Kp指數(shù)為5的出現(xiàn)概率為每11年900天，而Kp指數(shù)為9的出現(xiàn)頻率，每11年僅有4天。

這意味著，距離磁南北極越遠(yuǎn)，看到極光的機(jī)會(huì)越少。

這里之所以以11年為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期，是因?yàn)樘?yáng)上的黑子數(shù)量以11年為周期變化，而日冕物質(zhì)拋射等太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生的頻率又與黑子數(shù)量緊密聯(lián)系。在黑子數(shù)較多的年份，Kp指數(shù)高的情況也就會(huì)更多地出現(xiàn)，也就有更多的機(jī)會(huì)欣賞到極光。

目前，我們正處在第23個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的極小期，太陽(yáng)本該十分平靜，像本次耀斑爆發(fā)這樣劇烈的活動(dòng)是十分罕見(jiàn)的。

（美國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)中心繪制的Kp指數(shù)與激光擴(kuò)展范圍的關(guān)系圖及本次極光情況的預(yù)測(cè)。）

上圖中是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）對(duì)本次耀斑伴隨的CME所引發(fā)的地磁和極光活動(dòng)的預(yù)報(bào)，最可能觀測(cè)到極光的區(qū)域?yàn)辄S線（Kp=7）以北的區(qū)域。美國(guó)北部的俄亥俄州和印第安納州將有可能獲得觀測(cè)極光的機(jī)會(huì)。

而下一次極光扎堆出現(xiàn)的“高潮”，應(yīng)該在2023年—2026年之間。

在我國(guó)，最有希望觀測(cè)到極光的是黑龍江漠河，這里是我國(guó)磁緯最高的地方，也就是Kp指數(shù)與極光范圍關(guān)系圖中，紅線劃過(guò)我國(guó)領(lǐng)土的位置。

然而，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)的統(tǒng)計(jì)，漠河在1956—2010年間，每年內(nèi)觀測(cè)到的極光的次數(shù)最高不超過(guò)15次，大部分年份都在5次以下。

把守在這里觀測(cè)極光似乎并不是一件明智的事情。如果想獲得比較好的觀測(cè)效果，北歐和加拿大似乎是更好的選擇。

極光觀看指南

雖然我們可以預(yù)測(cè)極光在哪一年出現(xiàn)得較多，但和天氣預(yù)報(bào)一樣，極光出現(xiàn)的準(zhǔn)確情況只能提前幾天做出。在美國(guó)和歐洲的空間天氣預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)網(wǎng)站上，都有專門(mén)的Kp指數(shù)預(yù)報(bào)和極光觀測(cè)指南。你可以根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的Kp指數(shù)情況及預(yù)報(bào)，和極光區(qū)域與Kp指數(shù)間的關(guān)系，來(lái)策劃自己的極光之旅。

以下網(wǎng)站可以供您參考：

美國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)中心極光區(qū)域預(yù)報(bào)：

http://www.swpc./products/aurora-30-minute-forecast

美國(guó)阿拉斯加大學(xué)的極光區(qū)域預(yù)報(bào)：

http://www.gi./AuroraForecast

一個(gè)極光愛(ài)好者維護(hù)的極光預(yù)報(bào)：

http://www./

（國(guó)際空間站上看極光）