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极光之谜
极
光
之
谜
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极光被视为自然界中最漂亮的奇观之一。早在2000多年前，
中国就开始观测极光，有着丰富的极光记录。极光多种多样，
五彩缤纷，形状不一，绮丽无比，在自然界中还没有哪种现象
能与之媲美。
1极光之谜
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1极光之谜
极光是南北极地区特有的一种大气发光现象，极光在东西方的神话传说中都留下了美丽的
身影。长期以来，极光的成因机理未能得到满意的解释，因此产生了各种各样浪漫的传说。
在我國的古書《山海經》中也有極光的記載。書中談到北方有個神仙，形貌如
一條紅色的蛇，在夜空中閃閃發光，它的名字叫燭龍。關於燭龍《大荒北經》
有如下一段描述：“西北海之外，赤水之北，有章尾山。有神，人面蛇身而赤，
直目正乘，其瞑乃晦，其視乃明。不食不寢不息，風雨是竭。是燭九陰，是謂
燭龍。”這裏所指的燭龍，實際上就是極光
在西方，Auroran，极光，这个名字来自于罗马神话，曙光女神欧若拉掌管着晨光，黎明，
带来希望与期盼。在北欧的冬季，有幸见到北极光的人，也是上天眷顾的幸运儿，晴朗的
夜空亲历北极光绚丽绽放，是一生一次妙不可言的浪漫体验。但是早期，Aurora并不指代
极光，直到意大利科学家伽利略用她的名字来命名极光这种现象。
由于生活在北方的人们见到北极光的频率比较高，北地民族之间就诞生了很多和极光有关
的神话故事。中世纪早期，不少人相信极光是骑马奔驰越过天空的勇士；芬兰语里，极光
被称为“revontulet”，意为“狐狸之火”，因为当地人相信，是一只神奇的狐狸在白雪皑
皑的山坡上奔跑时用巨大的尾巴扫起了雪花，这些雪花飘散在天空中，就幻化成了极光。
而在北极地区，因纽特人则认为北极光来自逝者的王国，相信闪烁不定的北极光是死者想
要跟他亲属联系的信号，是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬，更有人相信对着极光挥手就
会被它们带走。不得不说，这些传说带来的神秘感让极光更是有了些看头。
无论何时，自人类第一次抬头望向天空，看到极光的那一刻开始，就没有停止过关于极光
的浪漫想象。极光被人类赋予了无穷的意义，在漫天光辉之下想起这些传说，是不是有一
种穿越时空，与古人心境相连的感受呢？
事实上，极光是一种绚丽多彩的等离子体现象，其发生是由于太阳带电粒子流（太阳风）
进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南极被
称为南极光，在北极被称为北极光。地球的极光是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
极光之美
极光被视为自然界中最漂亮的奇观之一。早在2000多年前，中国就开始观测极光，有着
丰富的极光记录。极光多种多样，五彩缤纷，形状不一，绮丽无比，在自然界中还没有哪
种现象能与之媲美。
1.1自然特征
任何彩笔都很难绘出那在严寒的两极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。极光有时出
现时间极短，犹如节日的焰火在空中闪现一下就消失得无影无踪；有时却可以在苍穹之中
辉映几个小时；有时像一条彩带，有时像一团火像一张五光十色的巨大银幕，仿佛上映一
场球幕电影，给人视觉上以美的享受。如果我们乘着宇宙飞船，越过地球的南北极上空，
从遥远的太空向地球望去，会见到围绕地球磁极存在一个闪闪发亮的光环，这个环就叫做
极光卵。由于它们向太阳的一边有点被压扁，而背太阳的一边却稍稍被拉伸，因而呈现出
卵一样的形状。极光卵处在连续不断的变化之中，时明时暗，时而向赤道方向伸展，时而
1极光之谜
又向极点方向收缩。处在午夜部分的光环显得最宽最明亮。
极光形体的亮度变化也是很大的，从刚刚能看得见的银河星云般的亮度，一直亮到满月时
的月亮亮度。在强极光出现时，地面上物体的轮廓都能被照见，甚至会照出物体的影子来。
最为动人的当然是极光运动所造成的瞬息万变的奇妙景象。我们形容事物变得快时常说：
“眼睛一眨，老母鸡变鸭。”极光可真是这样，翻手为云，覆手为雨，变化莫测，而这一
切又往往发生在几秒钟或数分钟之内。极光的运动变化，是自然界这个魔术大师，以天空
为舞台上演的一出光的话剧，上下纵横成百上千公里，甚至还存在近万公里长的极光带。
这种宏伟壮观的自然景象，好像沾了一点仙气似的，颇具神秘色彩
1.2极光的颜色
令人叹为观止的则是极光的色彩，早已不能用五颜六色去描绘。根据高度的不同，极光会
有不同的颜色，150英里以上为红色，100至150英里为绿色，60至100英里 为紫色，
60英里以下为蓝色。有时候也会看到黄色或者粉色的极光，这一般是几种极光的颜色混合
起来形成的。说到底，其本色不外乎是红、绿、紫、蓝、白、黄，可是大自然这一超级画
家用出神入化的手法，将深浅浓淡、隐显明暗一搭配、一组合，好家伙，一下子变成了万
花筒啦。根据不完全的统计，能分辨清楚的极光色调已达一百六十余种。
极光这般多姿多彩，如此变化万千，又是在这样辽阔无垠的穹窿中、漆黑寂静的寒夜里和
荒无人烟的极区，此情此景，此时此刻，面对五彩缤纷的极光图形，能不令人心醉，不叫
人神往吗？无怪乎在许许多多的极区探险者和旅行家的笔记中，描写极光时往往显得语竭
词穷，只好说些“无法以言语形容”，“再也找不出合适的词句加以描绘”之类的话作为
遁辞。是的，普通的美丽、壮观、奇妙等字眼在极光面前均显得异常的苍白无力，可以说，
即使有生花妙笔也难述说极光的神采、气势、秉性脾气于万一。
1.3极光的形态
在寒冷的极区，人们举目瞭望夜空，常常见到五光十色，千姿百态，各种各样形状的极光。
毫不夸大地说，在世界上简直找不出两个一模一样的极光形体来，从科学 研究的角度，
人们将极光按其形态特征分成五种：
底边整齐微微弯曲的圆弧状的极光弧；
有弯扭折皱的飘带状的极光带；
如云朵一般的片朵状的极光片；
面纱一样均匀的帐幔状的极光幔；
沿磁力线方向的射线状的极光芒。
当然，这些绝不是极光的全部形态，具体极光长什么样子，就要靠大家自己亲自去发现啦。
1.4极光的分类
极光依性质可分为扩散极光和分立极光两种类型。即使在黑暗的天空中，肉眼可能还是看
不见扩散极光散发出弥漫在天空中的微光和形状，但它定义出了极光带的范围。分立极光
是在几乎看不见的扩散极光中能够明确看出形状的部分，肉眼很容易就能看见它们，最亮
1极光之谜
时的亮度足以在夜晚阅读书报。但分立极光还是只能在夜空中被看见，因为它的亮度还不
足以在阳光下呈现。极光在极光带中出现时通常是弥漫性的光斑或弧形，且通常是在裸眼
可见的程度之下。分立极光通常会显示出磁场线或像帘幕状的结构，最常见的是绿色的萤
光，并且可以在数秒钟内发生变化，或是几个小时光度都不变。
按照极光的形态分类，可分为匀光弧极光、射线式光柱极光、射线式光弧光带极光、帘幕
状极光、极光冕等。
按照极光观测的电磁波波段，可分为光学极光、无线电极光等。
按激光激发粒子类型，可分为电子极光、质子极光等。
按照极光发生区域，可分为极盖极光、极光带极光、中纬极光红弧等
1.5神奇的声音
北极光是指常出现于地球高纬度地区高层大气中的发光现象，是太阳风与地球磁场相互作
用的结果。北极光非常绚烂美丽，而伴随北极光发生的，是一种很 神秘的声音。
一直以来，有关这种神秘的北极光声音流传着许多的传说，也让在荒野的人们感到恐惧和
敬畏。
北极光发出的这种含混不清的爆裂声的来源，终于首次在科学上得到了合理的解释。
芬兰阿尔托大学的科学家们发现了北极光神秘声音的来源，这种声音产生于距地面70米
的空中。与此相比，由地球磁场干扰而产生的绚烂而变幻莫测的北极光，则是产生于距离
地面120千米的高空。
为了找到声音的来源，科学家们利用了三个互相独立的麦克风，在观测点记录下了北极光
的声音。接着，科学家们对这些声音进行对比分析，从而最终确定了北极光声音的来源。
当北极光在观测点出现的同时，芬兰气象研究所也同步测量到了伴随北极光产生了地磁干
扰。
阿尔托大学的莱恩（Unto K.Laine）教授表示，“我们研究发现，在北极光出现期间，人们
可以听见一种伴随极光自然产生的声音。过去，我们认为极光离我们太远， 不可能会听
到极光发出的声音，这种推断没有错，但事实是，极光是由太阳产生的能量粒子干扰地球
磁场而产生的，它们在很远的天边，伴随极光的声音也是由类似原因而产生，只不过产生
这种声音的地方离地面更近。”
有关北极光神秘声音产生的具体原因仍然是一个迷，这种声音并不是每次都会伴随极光而
来。从被记录下来的声音来看，这种声音听起来像是一种含混不清的爆裂声，并往往只持
续一小段时间。另外一些听到过极光声音的人把这种声音描述为一种噼啪声，并且感觉声
音的距离很远。通过这些不同的描述，科学家们推测北极光声音产生的背后可能有着若干
不同的原理
极光产生的原理
在相当长一段时间内，人们一直认为极光可能是由以下三种原因形成的。一种看法认为极
光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火。另一种看
法认为，极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光。还有一种看法认为，极地冰雪丰富，
它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来，便成了极光。总之，众说纷纭，无一
定论。直到20世纪60年代，将地面观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，
才逐步形成了极光的物理性描述。
1极光之谜
2.1现代观点
极光一般只在南北两极的高纬度地区出现，但是2010年8月1日的太阳风暴恰好面向地球
爆发，携带大量带电粒子的太阳风准确无误地“击中”地球，与地球磁场相互作用 产生
“磁暴”，使美国密歇根州、丹麦和英国等纬度稍低的地区都能够看到美丽的北极光景观。
专家称，这一次的太阳风暴并没有像事先推测的那样破坏全球的卫星和电信系统，却给地
球带来一场壮丽的“焰火盛会”。
极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场
迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气（大于 80km）
时，与大气中的原子和分子碰撞并激发，能量释放产生的光芒形成围绕着磁极的大圆圈，
即极光。
极光最易出现的时期是春分和秋分两个节气来临之前，且春秋两季出现频率更甚夏冬。这
是因为在春分和秋分两节气时地球位置与“磁索”交错最甚。另外，在太阳黑子多的时候
或当太阳周期在日冕大量抛射增加和太阳风强度增强的阶段时，极光出现的频率和亮度也
会增加。
2.2产生原理
地球的极光来自地球磁层和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。
人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的，极光是地球周围的一种大规模放电
的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线（Field
line）集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞并激
发，产生光芒，形成极光。经常出现的地方是在南北纬度 67度附近的两个环带状区域内，
阿拉斯加的费尔班（Fairbanks）一年之中有超过200天的极光现象，因此被称为“北极光
首都”。
极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。电磁离子回旋波是一种典型的微观尺
度波动，其常通过回旋共振和带电粒子相互作用，这种作用的结果之一就是导致空间中的
带电粒子沉降到地球大气中，这些沉降粒子还可以通过后续的过程产生极光等现象。用一
个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，
地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层
以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了 解沉降粒子束来源，
粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱
对地球的影响方式与程度等
地球磁场可以近似为一个偶极场，也就是一个条形磁铁。偶极场中的粒子运动大致可以分
为回旋、弹跳和漂移3种。回旋就是我们常见的磁场中圆周运动。在非均匀磁场中，我们
可以将粒子运动分解为回旋和回旋中心运动。圆心会沿着磁力线在地球两极来回弹跳，称
为弹跳。圆心还会绕着地球转，称为漂移。由理论力学，我们知道缓变系统中的（准）周
期性运动对应一个绝热不变量/浸渐不变量。其中回旋运动对应磁矩守恒。数学表达式如
下：
1极光之谜
(公式1)
我们定义投掷角为粒子运动方向与磁力线夹角。则有
(公式2)
(公式3)
由这个公式我们可以看到，粒子沿着磁力线运动时，粒子进入磁场更强的区域，比如极区，
垂直于磁场方向的动能要增大。我们知道磁场对粒子不做功，那么这些动能只能来自平行
于磁场方向的能量。于是粒子将在某一点完全失去沿着磁力线的速度被反弹，称为磁镜。
粒子就这样在两极来回反弹，称为弹跳。从公式中可以看出，粒子投掷角越小，越能深入
磁场。
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。
极光的研究与发展
3.1研究历史
1619年，伽利略以罗马神话的曙光女神奥罗拉（Aurora）之名创造出“aurora borealis”一
词。伽利略解释极光是由反射从地球上上升蒸气的太阳光。法国数学家皮埃尔·伽桑狄在
1621年以希腊语的北风称之为“Boreas”。
沃尔特·威廉·布赖恩特在他的书《开普勒》（1920）一书中写第谷·布拉赫“认为顺势疗法
医师似乎有什么东西，他怀疑是硫，治愈了北极光的硫磺蒸气带来的传染性疾病”
1741年，欧罗夫·休尔特和安德斯·摄尔修斯观测到出现在头顶上方的极光，并描述为受到
磁场控制。这表示（以后获得证实）大电流会与极光有所关联，流出的区域就是极光的源
头。
本杰明·富兰克林认为“神秘的北极光”是北极地区被水和其它的湿气增强了浓度而强化的
带电粒子。
19世纪中后期，伊莱亚斯·罗密士（1860）和稍晚的赫尔曼·费茨（1881）先后详细叙述极
光与磁场的关系。
1882年，特隆欧尔确定极光主要出现在围绕地球磁极约 2500公里半径的环形“极光带”。
在距离磁极约2000公里的地理北极则几乎不曾出现过极光。暂态分布的极光（“极光椭
1极光之谜
圆”）则稍有不同，中心会由磁极向夜侧偏移3-5度，所以当磁极位于太阳和观测者之间
对齐时，毫无疑问的极光弧在子夜会最偏向赤道的方向。这也是观赏极光最佳的时段，称
为磁性子夜。
1890年，挪威物理学家柏克兰认为，离地球1.5亿千米的太阳几乎连续不断地向地球放射
物质点。而离地球5万千米至6.5万千米以外有一层磁场将地球罩住。当太阳的质点直射
这层磁场而被挡住时，它便向地球四周扩散，寻找钻入的空隙，结果约有 1%的质点钻入
北磁极附近的大气层。每颗太阳质点含有等于1000伏特的电力。它们在100千米外的高
空大气层中与原子和多半由氧和氮构成的分子相遇，原子吸收了太阳质点所含的一部分能
量时，立即又将这能量释放出来而产生的强光，氧发出绿色和红色的光，氮则发出紫、蓝
和一些深红色的光。这些缤纷的色彩组成了绮丽壮观的极光景象。
1896年，克里斯蒂安·伯克兰提出极光起因于来自太阳所发射的带电粒子束。他在真空室
中放入一个磁化的球（代表微型地球的“terrellas”球），以电子射束进行实验，表明电子
将被引导至极区。这个模型的问题是极光本身没有极性，还有更多负电荷本身的自我分散
性等，并且缺乏任何在太空中的观测证据。极光是太阳风粒子受到地球磁场的导引，在地
球大气层顶的高处产生。这对极光尖点是正确的，但是在尖点之外，太阳风并未直接接近。
此外，太阳风的能量主要是驻留在正离子，电子只有0.5Ev（电子伏特），而在尖点虽然
会升高至50-100eV，但依然没有达到极光的能量
1908年，克里斯蒂安·伯克兰推论电流是沿着东西方向的极光弧流动的，流向是从白天侧
朝向（大致）子夜，后来被称为“极光电流”（参见伯克兰电流）。
约在1962年时，詹姆斯·范·艾伦及其同事提出“漏桶理论”，认为极光是从范艾伦辐射带
溢出的，以反驳极光的高能量散逸会很快地耗尽辐射带。不久之后，事实显示被困在辐射
带中大份都是带正电的离子，而极光中的粒子几乎都是相对能量较低的电子。
1970年代，美国天体物理学家琼·费曼推论极光是地球磁层和太阳风发生相互作用的产物。
她的工作结果来自“探险家33号”（“Explorer 33”）太空船搜集的资料。
2007年2月，美国国家航空航天局“西蜜斯卫星任务”（“THEMIS”）的5个人造卫星群
成功发射升空。3月在阿拉斯加和加拿大上空侦测到北极光出现两小时，同一时间卫星也
侦测到带电粒子流接触到北极磁场，并首度测到扭曲磁场的结构。美国加州大学洛杉矶分
校的安吉罗波洛斯根据卫星传回的数据推断：太阳释放的带电粒子像一道气流飞向地球，
碰到北极上空磁场时又形成若干扭曲的磁场，带电粒子的能量在瞬间释放，以灿烂眩目的
北极光形式呈现。其研究结果已于2007年12月9日在“美国地球物理学会”的学术会议
中发表
2008年2月26日，西蜜斯卫星任务得以确定，这是第一次，启动磁层副暴的触发器距离
三分之一处，测量的事件显示磁场。根据“西蜜斯卫星任务”传回的新数据，科学家发现
太阳释放的带电粒子像一道气流飞向地球，碰到北极上空磁场时又形成若干扭曲的磁场，
带电粒子的能量在瞬间释放，以灿烂眩目的北极光形式呈现，而地球的极光主要只有红、
绿二色是因为在热成层的氮气和氧原子被电子碰撞，分别发出红色和绿色光。瑟密斯卫星
任务的5个人造卫星群于2007年2月成功发射升空，3月在阿拉斯加和加拿大上空侦测到
北极光出现两小时，同一时间卫星也侦测到带电粒子流接触到北极磁场。而让安吉罗波洛
斯惊讶的是，带电粒子和磁场接触形成的地磁风暴以每分钟650公里的速度掠过空中，威
力相当于芮氏规模5.5级的地震。科学家早就怀疑，北极光的能源来自带电粒子与北极磁
1极光之谜
场接触产生的扭曲磁场，但这个理论一直到2010年5月才获得证实。当时瑟密斯任务的
卫星群从地球上空6万多公里首度测到扭曲磁场的结构。
3.2其他星球
木星和土星这两颗行星都有比地球更强的磁场（木星在赤道的磁场强度是 4.3高斯，相较
之下地球只有0.3高斯），而且两者也都有强大的辐射带。哈勃太空望远镜也很清楚的看
见这两颗行星的极光。在巨大气体行星上的极光看起来与地球的相似，也是由太阳风提供
能量，另外，木星的卫星，特别是埃欧，更是木星极光的能量来源。这些电流是沿着场线
（场准直电流）涌生出的，肇因于卫星绕着行星公转的相对运动，引起的发电机机制。有
着火山活动和电离层的埃欧，是带电粒子的强力来源，从1955年开始就在研究由它的电
流所发射出来的电波辐射。使用哈柏太空望远镜也在埃欧、欧罗巴和甘尼米德上观测到极
光，当木星磁气圈的等离子撞击到它们稀薄的大气层时，就会产生极光。在金星和火星上
也曾观测到极光。因为金星没有内在（行星本身）的磁场，金星的极光呈现不同的形状和
强度，看起来是明亮但弥漫的补丁，有时会分布在整个行星的盘面。金星的极光源自太阳
风的粒子撞击和陷入在夜晚侧的大气层。在 2004年8月14日，火星快车号上的仪器
SPICAM检测到火星的极光。这道极光位于erra Cimmeria，东经177°，南纬52°，辐射区域
大约宽30公里，高度在8公里左右。经由分析包括火星全球探勘者号过去的地壳磁场异
常资料，科学家发现辐射的地区是相对来说是区域性的局部磁场最强的地区。这种相关性
显示，电子是通过火星地壳的磁力线与被激发的大气层移动。
南欧洲天文台发表了在2000年11月拍摄到木星上极光的照片，和木星两极上空的烟雾，
这是科学家第一次清楚拍摄到木星两极的情况。木星离地球约六亿一千万公里，过去，科
学家曾经利用太空总署的哈勃太空望远镜拍摄到木星极光的照片，不过，使用南欧洲天文
台的红外线望远镜，科学家可以更清楚地观察到木星极光和北极上空的烟雾。
科学家指出，极光是环绕木星的磁轴，而这些烟雾，是环绕着木星的旋转轴，是在极
光环之下；烟雾是受到木星上的地带风影响，这些地带风是在同一纬度上移动的；科学家
相信，木星以十小时一次的迅速自转，也会影响两极上空烟雾的移动。
对土星极光发射所做的一项新的研究，发现了一个二级极光卵形环，亮度是主极光卵形环
的四分之一。主极光卵形环是十多年前首次在哈勃太空望远镜的图像中看到的，此后其形
态已被详细确定，但关于其起源一直存在争论。一种理论认为，它们是地球上所看到的极
光卵形环（主要由与太阳风的相互作用形成）和木星上的极光卵形环（由与等离子流的相
互作用形成）之间的一个混合结构。但土星二级极光卵形环的性质表明，它是木星主极光
卵形环的一个弱对应体，它之所以相对较暗，是由于土星没有一个像“木卫一”（有火山
喷发活动）这样的大型离子源。因此土星和木星上的极光形成过程是非常相似的，其外观
的差别是由比例尺差别造成的。
木星远紫外线喷射最新观测显示，明亮的木星极光爆发很可能是由行星-卫星交互作用产
生的，而不是受太阳活动性影响。研究小组指出，木星极光喷射揭示能量通过木星大磁气
圈传输和消散，然而主要的极光喷射是恒稳态行星旋转的内部驱动，短暂的明亮发光通常
被认为是外部太阳风受压引发。Hisaki探测器和哈勃望远镜提供的证据表明，最新观测到
的明亮木星极光实际上是内部驱动所致。强烈喷射从木星极冠区域延伸至木卫一极光迹象
附近的纬度，暗示着通过内部等离子循环过程，能量快速进入木星极地区域。
木星观测者知道这颗巨大行星经常出现极光，比地球极光明亮数千倍，并且覆盖范围是地
1极光之谜
球面积数倍，通常他们认为木星极光是太阳带电粒子与木星磁场发生碰撞所产生的，也可
能是由于木星和它的卫星单独交互作用所致。
但是这些极光耀眼明亮周期类似于地球极光，没有人能够明确跟踪分析究竟是哪一种原因
导致的。木星和木卫一交互作用产生的极光现象，木卫一表面火山释放带电离子和电子云，
进入木星周边弥漫强磁场的区域，这里的磁场是地球磁场强度的数千倍。
伴随着木星快速旋转，木星磁场旋转作用下牵引木卫一物质环绕其周围，导致木星极地出
现强电场。这种加速离子和电子产生强极光现象，几乎照亮了电磁波谱所有部分，但不包
括紫外线、X射线高能波谱带。
3.3极光的危害
极光虽然美丽，但是在地球大气层中投下的能量，可以与全世界各国发电厂所产生电容量
的总和相比。这种能量常常搅乱无线电和雷达的信号。
当地磁场扰动时，磁场方向和大小的改变会影响它们之间的力矩，致使卫星的姿态发生变
化。卫星的姿态发生变化后，通信卫星将无法正常通信，甚至有时可能会中断通信；气象
卫星、军事卫星也无法监测地球。
当强磁暴发生时，磁层顶部由于受到高速太阳风的剧烈挤压而被压缩到地球同步轨道之内，
发生同步轨道磁层顶穿越事件。此时不仅会因所处的磁场环境发生变化而影响姿态，还会
因为失去了磁场的保护而直接受到太阳风的冲击。当地磁暴发生时，焦耳加热和极光粒子
沉降加热引起全球高层大气增温，密度和成分发生变化。当大气密度陡增，大气阻力会突
然加大，加速了航天器衰减的速度，从而导致其偏离预计航道，甚至提前掉入低层大气而
陨落。
极光所产生的强力电流，也可以集结在长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局
部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。
怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命。
观测极光
4.1极光观测案例
大多数极光发生在地球上空90～130千米处。美国匹兹堡磁纬高，就比在北京看到极光的
机会大多了。2004年11月7日晚，较强极光匹兹堡出现过。肉眼能看出绿色，红色。
2003年11月20日傍晚，极光出现于匹兹堡南方地平线，一小时后消退。半夜时又发生于
北方低空。2003年10月30日出在匹兹堡的极光，虽然是在光污染严重的市内，但仍能看
到红色的光芒。但有些极光要高得多。1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽
度超过4800千米。在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的
极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。美国的费尔班克斯一年有200多天能看到极光；
而在佛罗里达州，一年平均只能见到4次左右。我国最北端的漠河，也是观看极光的好地
方。18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地
面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。与此同时，伦敦的地
磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。原来，
极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，当它吹到地
球上空，会受到地球磁场的作用。高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击
1极光之谜
后所发出的光的前面色不一样。例如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，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。
科学家已经了解到，地球磁场并不是对称的。在太阳风的吹动下，它已经变成某种“流线
型”。就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的，形似彗尾
的地球磁尾。磁尾的长度至少有1000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的偶合
作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子
体具“冻结”磁力线特性，所以，太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入
地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时（如耀斑爆发），常引起地球磁层亚暴。于是这些
带电粒子被加速，并沿磁力线运动。从极区向地球注入，这些带电粒子撞击高层大气中的
气体分子和原子，使后者被激发——退激而发光。不同的分子，原子发生不同颜色的光，
这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。事实上，人们看到的极光，主要是带电
粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一
个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，
地球大气为电视屏幕。地球磁场为电子束导向磁场。极光的形成与太阳活动息息相关。逢
到太阳活动极大年，可以看到比平常年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬
度较低的地区，也能有幸看到极光。2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现
了极光景象。在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国
的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极
为壮观。虽然这是一件难得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在
许多地区还造成了恐慌。据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说，当夜德国莱茵地区以北
的警察局和天文观象台的电话不断，有的人甚至怀疑又发生毒气泄漏事件。这次极光现象
被远在160公里高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现，并发出了预告。在北京时间4月
7日凌晨零时三十分，宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠
过，而且该太阳风突然加速，速度从每秒375公里提高到每秒600公里，一小时后，这股
太阳风到达地球大气层外缘，为我们显示了难得一见的造化神工。
4.2极光观测区域
如果我们乘着宇宙飞船，越过地球的南北极上空，从遥远的太空向地球望去，会见到围绕
地球磁极存在一个闪闪发亮的光环，这个环就叫做极光卵。由于它们向太阳的一边有点被
压扁，而背太阳的一边却稍稍被拉伸，因而呈现出卵一样的形状。极光卵处在连续不断的
变化之中，时明时暗，时而向赤道方向伸展，时而又向极点方向收缩。处在午夜部分的光
环显得最宽最明亮。长期观测统计结果表明，极光最经常出现的地方是在南北磁纬度67
度附近的两个环带状区域内，分别称作南极光区和北极光区。在极光区内差不多每天都会
发生极光活动。在极光卵所包围的内部区域，通常叫做极盖区，在该区域内，极光出现的
机会反而要比纬度较低的极光区来得少。在中低纬地区，尤其是近赤道区域，很少出现极
光，但并不是说压根儿观测不到极光。
极光带覆盖其实很广，北半球的阿拉斯加、加拿大、格陵兰岛、北欧诸国和俄罗斯都在极
光带的范围内，冰岛更是全岛都覆盖在极光带中。而极光强盛的时候，南半球的澳大利亚
南部地区、新西兰和智利，也是可以看见极光的。
4.3极光观测的基本条件
1极光之谜
了解了极光产生的基本原理，看极光的必备条件也就很清晰了。
极光指数kp。kp值是预测极光强度需要参考的一个值，分为0—9共10级，kp值越大，
说明极光带覆盖的范围更宽，亮度更强；kp值小的时候，极光就可能很难观测到。
kp指数达到1-2时，极光处于静态。
kp指数达到3-4时，极光处在活跃状态，肉眼可观测。
kp指数达到5-6时，极光处于非常活跃状态。
kp指数达到>7时，英国可以观看极光。
kp指数达到>9时，中国漠北勉强可以看到。
总而言之，kp值是每个追光者都要关注的数据，有很多App都提供极光预测，比如aurora
alerts，建议大家出发前就下载一个在自己手机上，方便随时监测。
晴朗的天空。如果白天天气非常晴朗，当晚可能就是观测极光的好机会，因为云层较薄，
不容易把极光遮住。但晴天不是一定可以观测到极光。
漆黑的环境。极光观测对环境的要求还是蛮高的，任何光线，无论是来自城市的灯光还是
来自天空的月光都是一种干扰和污染，所以观测极光需要：1）避开月满那天；2）去到几
乎没有其他光源的地方；3）关掉手电筒这类的照明物，这些都是为了保证观测环境的足
够黑暗。
为什么说看到极光会有好运呢？其实就是因为能看到极光就说明你运气很好啊！很多极光
观测者都会遇到那种在荒野里等一整晚也没有看到极光的情况，哪怕那天什么条件都满足
了。看极光真的是很拼人品的一件事情。
4.4追光最佳地
追极光该去哪里？比起远走外太空或者是去无人的南极区，最简单的当然是去北极圈内，
追北纬66度34分以内的北极光。
（1）萨米人的拉普兰
与鹿为伴的萨米人生活在极光带，那里被称为拉普兰。广义上来说，拉普兰是指芬兰北部、
挪威北部、瑞典北部、俄罗斯北部极圈内的广大区域。在国境线还没有被人为划分的时候，
生活在这里的游牧民族萨米人与他们相依相伴的驯鹿，一同随着季节，在这片冬季格外漫
长的苦寒之地巡游、狩猎、生活。随着人类文明的不断扩张，萨米人的领土被几个国家纵
向切割，他们成了有各种前缀的萨米人，“俄罗斯萨米人”、“芬兰萨米人”、“挪威萨
米人”、“瑞典萨米人”。
芬兰最北部的拉普兰地区，占据了整个芬兰1/4的土地，也是芬兰国境内最为寒冷的土地。
1极光之谜
这里被森林覆盖，穿插着湖泊，是极佳的极光观赏地。 广义上的卡普兰，当然并不是指
芬兰境线内的这一点点，它是萨米人千百年走过的土地，整个拉普兰地区都有极光出没。
芬兰的罗瓦涅米，极光覆盖的同时还是圣诞老人的故乡。罗瓦涅米以北8公里市郊边缘北
极圈上的圣诞老人村，有世界公认通过注册的圣诞老人，这里的圣诞老人持证上岗，全世
界也只有不到40人。
（2）维京人的冰岛
冰岛虽然位于北极圈边缘，却因有墨西哥湾暖流的庇护而气温适中，所以，很早以前，周
边的人会去冰岛过冬，却不会永久居住，直到维京人殷格·亚纳逊一行人公元874年的到来，
冰岛才有了永久居民。
现代社会，北极圈内也呈现大规模的城市化，越来越多的小村落开始消失，而随着城市化
进程的加剧，城市生活越来越丰富，城市中光污染越来越严重，看到极光的几率也越来越
小了。
然而，殷格·亚纳逊到达冰岛后命名的冰岛第一座城市雷克雅未克——冰岛的首都，却开始
越来越被旅行者们青睐，因为这是唯一一个还能看得到极光的首都了。
虽然芬兰首都赫尔辛基偶尔也能遇见极光，“遇见”用词可能过于笼统了，更为精准的说
应该是“邂逅”。
当然，如果城市里的极光看着不够过瘾， 不够仪式感，没关系，冰岛全岛都在极光带上，
是世界上唯一一个能360度无死角看到北极光的地方，而基尔丘山是冰岛最佳观赏点。
（3）海盗红胡子的格陵兰
格陵兰岛在近4500年来迎来了不同的岛民，北欧史诗中记载的维京海盗红胡子因犯谋杀
罪从冰岛流亡后找到了只存在于传说中的陆地，他在岛上定居后给该岛取名格陵兰岛，绿
色的岛屿，为了能吸引到更多的移民。
在10世纪，岛屿的南部迎来约4000名斯堪的纳维亚移民，与将这里当成家的因纽特人和
睦相处，而丹麦人从18世纪开始宣称格陵兰岛的所有权。
全球最大岛屿格陵兰，全境几乎都在北极圈内。这里的大多数城市都能看见北极光。全岛
才5万多人，平均0.14个人就拥有1平方千米的土地。也正因如此，岛上没有太多的光污
染，就有了更好的极光观赏条件。
（4）挪威特罗姆瑟
作为北极圈内最大的城市，拥有挪威最多小木屋的特罗姆瑟必然也是热门追光之地。
而挪威另一个临海城市Alta也总在推荐之首，和别的临海城市比起来，这座城市的极光似
乎因为多面环山而更少受到海洋性气候的影响。而早在 1 9世纪这里就建立了世界上第
一个北极光观察基地。
越来越多的餐厅、商店、博物馆、雪地活动也为习惯城市生活的旅人缓解了冰天雪地的清
寂。还可以乘着雪橇去破冰捕鱼，去游猎，去享受这里的极地海洋美味。
（5）瑞典的阿比斯库村庄
关于北极光，大家也一定都会知道世界著名的阿比斯库，北极光天空站 Aurora Sky
Station。
在这里，你的心会随着在你头顶上舞动的北极光而跳动，那个时刻，就让北极光陪伴你在
这冰雪的异国之地。
北极光是大多数人来阿比斯库的最主要原因，这里 被称为是有着最佳观测北极光的地方，
世上没有其他的地方可以比之。大家都知道，天空的云彩是北极光的敌人。阿比斯库的天
空清透干净，鲜有灯光污染，因此才让它夺得最佳观测点的桂冠。
1极光之谜
地点 维度 季节 时间 体验
北欧 | 芬 64°N~69°N 8 月下旬- 下午 18:00 冰 雪 酒
兰、挪威、冰 次年4 月下旬 至 次日凌晨 1 店，玻璃屋，
岛 点 驯鹿雪橇，破
冰 船 ， 帝 王
蟹，圣诞老人
故乡
北美洲 | 65°N 2月-3月、 晚 上 狗 雪橇，
阿拉 斯加 10月-11月 22:00至次日早 冰 钓 ， 帝 王
晨6点 蟹，极地列车
等
加拿大 | 62°N 9月-次 年 晚上 11 点 极 地 木
黄刀 镇 3月 至凌晨2点 屋，雪 地单
车，极地探秘
除了北半球的高纬度国家，有着活的地理教室之称的新西兰，也可以观赏到极光！新西兰
有着火山、冰河、森林、海滩、峭壁、沙漠及沼泽等丰富地形，而蒂卡波湖则是新西兰欣
赏极光的知名地，湖畔星空和梦幻的南极光笼罩新西兰的天空。
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