极光现象及其物理分析

极光现象及其物理分析第1页，共26页，2023年，2月20日，星期五明亮夜空：2月19日，摄影师卡斯汀·朗恩伯格（KerstinLangenberger）在冰岛拍摄了这张满月下的北极光照片第2页，共26页，2023年，2月20日，星期五宛若仙境：镜头下，冰岛的辛格维尔国家公园白雪覆盖，夜空中极光缤纷，在这绿色和紫色的天空帷幕下，一切宛若仙境第3页，共26页，2023年，2月20日，星期五水中倒影：这张照片拍摄于挪威洛夫腾（Lofoten），时间是2010年3月

第4页，共26页，2023年，2月20日，星期五满月当空：挪威洛夫腾，满月和极光交相辉映，2010年3月

第5页，共26页，2023年，2月20日，星期五木星上的极光第6页，共26页，2023年，2月20日，星期五木星上的极光第7页，共26页，2023年，2月20日，星期五木星上的极光第8页，共26页，2023年，2月20日，星期五第9页，共26页，2023年，2月20日，星期五第10页，共26页，2023年，2月20日，星期五第11页，共26页，2023年，2月20日，星期五极光的产生极光（Aurora或Polarlight或Northernlight）出现于星球的高磁纬地区上空，是一种绚丽多彩的发光现象。而地球的极光，由来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。极光产生的条件有三个：大气、磁场、高能带电粒子。这三者缺一不可。极光不只在地球上出现，太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。第12页，共26页，2023年，2月20日，星期五极光产生原理来自太阳风的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。地球磁层磁力线携带太阳风的能量进入地球内部，进而驱动了地磁场的形成。在这磁层磁力线闭合环路上除了有地球内部的导电体之外，另外还有大气层的电离层这一弱导电体。当太阳风强烈时，磁力线能量遇到地球内部的磁感抗，有许多能量消耗不掉，于是就在电离层处形成了极光。第13页，共26页，2023年，2月20日，星期五对高能带电粒子流的微观分析首先，对高能带电粒子来说，在运动到地磁场的作用范围内时，因为地磁力对粒子的偏转作用，粒子绕地磁场的场线旋转，逐渐逼近地磁场的两极，因而高能电子与高层大气的碰撞发生在地磁场的两极第14页，共26页，2023年，2月20日，星期五对高能带电粒子流的微观分析这里我们从极化的角度来分析一下：如图，我们将高能带电粒子流中速度相同的粒子看做参考系，那么高空中的电介质（其中大多数是无极分子）向带电粒子做高速运动，就某一瞬时来看，无极分子发生位移极化，正负电子的“重心”不再重合，于是在分子之间产生极化场，其中第15页，共26页，2023年，2月20日，星期五对高能带电粒子流的微观分析然而，从电容器中当电介质内的场强超过某一极限值时，绝缘性能就被破坏这一现象类比推理可得：高能带电粒子产生的场强以及快速接近的距离足以让让大气中的无极分子和有极分子所处的场强在一极短时间内快速达到并超出击穿场强，电子被激发到高能级。然而过于拥挤的环境及原子核的束缚力又让电子回到低能级（其实并不一定是回到它自己之前所在的原子核上）发光现象就在这一刻产生。第16页，共26页，2023年，2月20日，星期五对高能带电粒子流的微观分析然而，这种现象还可以有这样一种“有趣”的解释：将高能带电粒子看做“电子束”，而高空中的大气看做“荧光屏”，我们惊奇的发现种现象俨然成了一台大的电视机模型；“电子束”发射后在打一块“荧光屏”上，“荧光屏”发光。这样的解释更直观的解释了极光为什么会“五颜六色”？第17页，共26页，2023年，2月20日，星期五对高能带电粒子流的微观分析即氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩激后发出蓝色的光，就像电视的光束只有红、绿、蓝三种颜色一样，空气中混合的各种气体为我们呈现出了各种各样迷人的色彩（这里我们想到一个问题：大气组成的各个时间是基本相同的，为什么大多时间这些气体发出的光所混合成的颜色不同？）第18页，共26页，2023年，2月20日，星期五对极光现象的推衍第19页，共26页，2023年，2月20日，星期五推衍高能带电粒子流、高空大气、地磁场的关系可以看成如下所示：

高能带电粒子高空大气

地磁场极化场强电磁力电磁力第20页，共26页，2023年，2月20日，星期五推衍对宇宙空间中高能带电粒子流的分析同时可以让我们更深刻的认识地磁场对我们生活的深刻影响。为什么人类可以健康的生活在地球上而不受紫外线等有害射线的干扰？为什么似乎跟我们的生活毫无干系的太阳风能让我们的通讯几乎完全瘫痪？然而，对于致力于奔向外太空的人类来说，这些粒子射线就是我们要过的第一道槛。第21页，共26页，2023年，2月20日，星期五我们自己的联想第22页，共26页，2023年，2月20日，星期五

既然地球两极的磁场可以的到通过地磁场发出美丽的极光，那么我们的想法是：可不可以通过在中国的某一块土地上放一块很大且可以产生很强电磁场的磁体来让极光”眷顾“我们这个地方，如果可以的话，需要多大的磁体呢？放在哪里所需要的磁体可以尽可能的小呢？以后我们的太空飞船飞出太阳系的时候可不可以用一块很大的磁铁来阻止宇宙射线的照射呢？第23页，共26页，2023年，2月20日，星期五最后，请大家欣赏俄国作家罗蒙诺索夫的一首诗题目是————第24页，共26页，2023年，2月20日，星期五极光自然的规律安在？在半夜时升起了晨曦，这不是太阳设置的宝座，也不是冰封的海洋，而是闪动的火焰。啊！冰冷的火笼罩着我们，啊！虽说是夜里，白天却来到了人间。是什么令明亮的射线在黑夜中抖动，又是什么