科学的科普（18）微观物理（4）射线对气体的影响E

张武昌2025年2月15日星期六

极光区 auroral zone

在任一时刻，极光椭圆的午夜位置（也就是椭圆的最远端）出现的极光最强。在一天之内，极光椭圆（auroral oval）的午夜位置在地球表面旋转一周，午夜极光位置划过的圆称为极光区 auroral zone（也有称为极光带auroral belt，或极光环auroral ring）。

下图是任一时刻极光椭圆和极光区的位置的示意图，注意分为日侧和夜侧。

极光区位置受太阳活动的影响

太阳发给地球的东西有三类，第一类是光（电磁波，含紫外线），速度300000千米每秒，持续存在，它们8分钟到达地球，

第二类是太阳风，是带电粒子脱离太阳表面造成的，速度为200-800千米每秒，它们持续存在，是地球极光的原因。

第三类是日冕物质抛射coronal mass ejection，可以理解为太阳的一小-------------小小小小小部分被分离出来的，本质上就是一个小小的太阳，是带有磁场的等离子体。速度为10-1000千米每小时，有的比太阳风慢，有的比太阳风快，全看太阳心情。

日冕物质抛射并不是时时存在，而是有时存在，有时不存在，每次的强度也不同。日冕物质抛射的频次与太阳周期有关，太阳上太阳黑子的数量有一个11年的周期，称为太阳周期，黑子多的时候太阳活跃，抛射的日冕物质次数和强度多，反之亦然。

在日冕物质抛出的时候，也并不都是针对地球，大部分的日冕物质抛射都会偏离地球。

日冕物质抛射到达地球后，对地球的磁场产生较大扰动，扰动的表现就是地球磁场变形，根据变形的程度可以对地磁扰动评级，其中有个评级参数称为Kp，取值为0-9。取值越大，地磁扰动的程度越大，极光椭圆的午夜位置就越向低纬度偏移。

左图为理想状态的地球磁力线，右图为地磁扰动状态下的磁力线（左边为太阳方向）

正常情况下的极光区

大部分时间，Kp值都是在4以下，所以极光区的范围一般处于纬度66-69度之间。

因为极光发生的高度在100千米左右，所以能够看到极光的区域很大。下图中较粗的绿色圆圈是南北极的极光区（颜色深浅表示极光发生的概率大），而较细的绿色圆圈表示在较低纬度能看到极光的位置，称为极光可视线【极光可视区（Zones of auroral visibility）的低纬度边缘】，其高纬度边缘与极光区的距离大体相等，加上极光区的高纬度区域人口稀少，所以一般不标。

磁暴情况下的极光区

当地磁线的变形过大的时候，磁力线会断裂和重连，造成地表磁力线位置的剧烈变化，磁层中的带电粒子会趁机大量泄入大气层，造成更亮的极光。

当Kp值大于5时，磁场的变形很大，称为地磁爆。地磁爆等级越高，地球磁力线向低纬度移动的越厉害，极光也越强。

所以，在低纬度的人们也有欣赏极光的机会，根据历史资料和科学分析，有研究称极光椭圆的位置（极光发生的位置）出现在1789年的墨西哥，纬度最低曾为47度地磁北纬。

在磁暴期间所以极光可视线就会向低纬度移动。

低纬度极光

极光的形状像一个高高的幕墙，西方人称为欧拉女神的裙摆。

在低纬度的人们看到的极光，由于纬度的关系，大多数情况下是极光的上部，所以多为红色。

极光可视区Zones of auroral visibility内的极光可见概率

在任意时刻都有一个极光区，由于可视线的南北移动，在极光可视区内的任一位置可以看到极光的概率（看到极光的日数和总天数的比例）是不同的。如下图所示，在可视区条带的中心几乎每天都能看到极光，离中心向南北两侧越远，看到极光的概率越小。

太阳周期对磁暴的影响  

日冕物质抛射跟太阳周期solar cycle有关。太阳活动有时活跃，太阳黑子增多，日冕物质抛射频繁且强度大，有时不活跃，太阳黑子减少，日冕物质抛射较少且弱。所以在太阳周期的活跃期，磁暴增多，极光强度大，位置偏向低纬。

太阳周期一般使用太阳黑子多少的周年变化来表示，一个太阳周期大约为11年，黑子多的年份为活跃期，反之为不活跃期。

自有记录以来，已经记录了25个太阳周期。

2025年是第25个太阳周期的活跃期，是在低纬度欣赏极光的好年份。

在2023年至今，我国各地出现了观察到国产极光的报导。

地磁极位置长期变化

由于极光区的中心是地磁极，所以地磁极的位置变化也会影响极光的位置，自1831年以来，北磁极的位置一直几乎沿直线从加拿大海岸进入北冰洋中心，向北冰洋对岸的西伯利亚移动，2001-2020年的速度比1948-1994年要快的多，

按照这个趋势走下去，极光椭圆将从北美大陆向欧亚大陆偏斜，下一个极端极光的最低纬度会是欧亚大陆的某点，而欧亚大陆的人们看到极光的可能性也会增加。

Aurora forecast 极光预报

了解了极光发生的原理和规律，为了满足人们观赏极光的愿望，有很多机构每天都有对极光可见的预报。

我国也开展“中国境内极光预报”实时预报。在本文写作的时刻，中国境内几乎没有看见极光的可能性。

全球极光预测图

http://interesting-sky.china-vo.org/astronomical-database/space_weather/aurora_forecast_map.html

我国的南北极极光观测

科学家们通过在不同地点的磁力计观测地磁场的强度和方向，发现了一些地点的地磁场参数与另外一些地点完全相同，只是南北极性相反。 这些地点就被称为地磁共轭点。

虽然我国境内出现极光的天数较少，但是我国科学家可以在南极和北极的科学考察站进行极光观测和科学研究。

南北半球位于同一根磁通管(同一纬度)附近的区域经常可以观测到相似的空间物理现象，这种现象被称作地磁共轭。中国南极中山站(69.4°E, 76.4°S)和北极斯瓦尔巴(78°55′N、东经11°56)是地球上为数不多的极隙区共轭台站对之一。

教学用极光模拟

虽然对极光的研究已经多年，但是对美丽极光的向往和科学热情持续不衰，在实验室内对极光的教学模拟也是重要内容。我国科学家在2023年研制了国内首个地面模拟极光的实验装置。

从报道的图中看出，很像伯克兰的设计。

下期预报  大气广延簇射。