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神秘莫测北极光

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挪威摄影师弗雷德里克· 布罗姆斯拍摄的北极光
北极光大部分呈黄绿色,有时候呈现红色和蓝紫色,天空映照得如梦似幻

北方的天空


  “太阳让我着迷了很多年。”挪威人帕尔·布莱克(P?l Brekke)说。他是奥斯陆大学天体物理学太阳物理博士、挪威航天中心高级顾问,去年出版了两本科普书,一本叫《我们狂躁的太阳》(Our Explosive Sun),一本叫《北极光》(The Northern Lights)。因挪威弗拉姆号博物馆在北京自然博物馆举办“探索北极”的展览,挪威驻华大使馆也邀请布莱克一同来中国讲一讲北极光。
  “中国人对北极光的热情让我惊讶。”布莱克告诉本刊,“很多人觉得北极光很神秘,想亲眼一见。”他说,在成为一个科学家之前,北极光在他眼里也一样神秘。他最早被太阳所吸引,早年曾被导师介绍去位于奥斯陆北部Harestua的太阳天文台工作,他父亲也在那里工作。那时他开始对太阳动力学入迷,于是转向天体物理研究。“太阳让人类为之着迷了数万年,它从方方面面影响我们的生活。太阳有很多好处,比如有了它我们才能生存,才能看到绚烂的北极光,但是它也有很多害处,太阳风会影响卫星通讯、GPS、无线电通讯等等。”他后来热衷于和公众分享关于太阳的知识,参与了一些纪录片的拍摄,还写了一本介绍太阳来龙去脉的书。
  写完《我们狂躁的太阳》之后,他和因拍摄北极光而获得很多国际奖项的摄影师弗雷德里克·布罗姆斯(Fredrik Broms)一起筹划写一本关于北极光的书。“虽然已经有不少关于北极光的书,有的介绍如何拍照,有的介绍科学知识,有的是旅行指南,但是没有一本从各个角度解读北极光的书。于是我们打算写一本包括很多漂亮图片的北极光大全。”
  北极的天空曾让很多人入迷。著名的卡弗利奖的创建人弗莱德·卡弗利(Fred Kavli)在接受《纽约时报》采访时曾说:“在挪威这样的国家长大,冬天时北极光在蓝色和黑色的天空中舞动,整个天空像燃烧起来,它还照亮了白雪覆盖的山顶,银河系中繁星闪烁。我坐在静谧而孤独的雪山上,这是最接近自然并对它产生兴趣的时候,我开始沉思宇宙、星星、自然和人的神奇。”“至今,我还在沉思。我认为,物理学是最接近自然和宇宙的科学。”他在功成名就后于2008年设立了卡弗利奖,奖励在天体物理学、神经科学和纳米科学领域做出原创性贡献的科学家,每项奖金为100万美元,每两年评选一次,现在已经成为科学界一项重要奖项。
  “北极光让人们思考宇宙。”布莱克说,“事实上,北极光和太阳有很大的关系,人们用了很多年才发现这一点。”
  最早记录北极光的是挪威编年史《国王的镜子》,成书大约在1230年,作者可能是国王拉嘎伯特(Magnus Lagab?te)的儿子。那时候人们认为地球是平的,被海洋所包围。一种解释说,海洋被大火包围,极光是火光在天空中的反射;另一种解释是,地平线下反射的太阳光照亮了天空;第三种解释是格陵兰岛的火灾。
  直到17世纪后期,英国天文学家埃德蒙·哈雷(Edmond Halley)才第一次将极光与地球磁场联系起来。他指出,极光弧度并没有指向地理学极点,而是指向磁极。“这一点是正确的,而且是一个重要发现。”布莱克说。
  17世纪还有几位科学家发现了北极光的出现和磁场变化之间的相关性。挪威天文学家克里斯托弗·汉斯庭(Christopher Hansteen)建立了一些观测站来测量磁场,第一次指出极光是一个围绕磁极的连续的环。“今天我们知道极光是围绕磁极的椭圆形,他的绘图是第一个例证。”法国科学家让-雅克·德麦兰(Jean-Jacques de Mairan)是第一个提出极光和太阳有关的人。1774年,他提出太阳的大气层和地球通过某种方式联系,“那时候这样想是很难的”。
  最早的突破性发现是挪威科学家克里斯蒂安·伯克兰(Kristian Birkeland)于19世纪末做出的。布莱克指着一张200克朗面额的挪威纸币上的人像说:“这就是伯克兰和他的研究。”
  1896年,伯克兰提出,来自太阳的带电粒子能够点燃北极光。为了证实他的理论,他建造了一个实验系统,用一个装有电磁铁的模型来模拟地球,被称为“特洛拉”(Terrella)。他注意到引向磁化小地球的电子流将自动流向磁极,同时产生一圈光晕,他断定极光也是依据相同原理产生的。
  除此之外,他还建立了第一个稳定的极光观测站,并证实了太阳风的存在。基于地磁学测量显示,北极光的活动几乎是不间断的,他得出结论说地球不停地被来自太阳的带电粒子射线轰炸。伯克兰还发明了线圈炮和从空气中固氮的“伯克兰-艾德电弧法”,曾被提名诺贝尔奖达7次之多,可惜最终没有获奖。他设计的精彩实验给公众留下了深刻的印象,但为技术所限,直到上世纪60年代才终于被卫星观测所证实。
  200克朗的挪威纸币上,印着伯克兰和他做出重要贡献的特洛拉实验、北斗星、北极星、极光环带。

  
挪威科学家帕尔· 布莱克

太阳的故事


  “用肉眼注视天空,太阳似乎一成不变地宁静和稳定。从地面看,太阳唯一明显的变化是它的位置,有时表面上可以见到深色的斑点。太阳才是北极光故事的开始。”布莱克说,银河系内有数十亿太阳大小的恒星,太阳就像一个巨大的发电厂,中心温度超过1400万摄氏度,巨大的压力把氢原子挤压在一起,成为另外一种元素——氦。这种剧烈的核聚变反应释放出巨大能量,从太阳中心向外辐射,热量到达表层形成巨大的漩涡,被称为对流单体。
  太阳表面最明显的特征是被称为太阳黑子的暗区。太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡,温度比周边低大约1000摄氏度,所以看上去像一些深暗色的斑点。太阳黑子可以从几个小时持续到数月,一个大的太阳黑子体积是地球的几倍。
  每11年,太阳都会进入活动高峰,被称为太阳活动极大期,极大期后大约5年进入一段相对平静的太阳活动极小期。在太阳活动高峰期会出现很多太阳黑子,极小期只有少量太阳黑子。因此,依靠太阳黑子数量可以观察太阳活动的情况。
  有时,太阳黑子附近的强磁场区域会扭曲和断裂,释放出巨大的能量,被称为太阳耀斑。强烈的爆炸会让粒子和X射线加速进入太空,释放的能量等同于10亿兆吨TNT爆炸。
  在某些情况下大量的气体也被投掷到太空中,我们称这些喷发物为日冕物质抛射。它们喷发出数十亿吨粒子,速度高达每小时800万公里。在太阳活动极大期,太阳风暴可能会每天发生数次,有时会对准地球方向。“太阳给我们的不仅是光和热,还有持续不断从太阳吹来的粒子流,被称为太阳风,速度高达每小时1500万公里。”布莱克说。
  当太阳风到达地球,奇怪的事情发生了。它们被看不见的盾牌——地球磁场所偏转。地磁层是地球周围一个保护层,一个看不见、摸不着的巨大磁化区域,是太阳高能带电粒子的天然屏障,正是有了这道屏障我们才能安稳地生活在地球上。
  地磁层的外边缘与行星际交界的地方叫作磁层顶,在地磁南北极上方的磁层顶形状像漏斗,少量的太阳风带电粒子可以从此处“漏”进磁层,在地球附近沿着磁力线绕圈,同时向地球两极沉降,在沉降过程中和地球高层大气发生碰撞,发出灿烂的光芒,这就是极光。

绚烂的色彩


  碰撞通常发生在距离地面80~ 300公里的高度,绿、蓝、白、红四色光芒在天空中形成了一个椭圆的环形区域,也就是极光环带。
  “极光的发光原理跟霓虹灯、荧光灯以及老式电视相似。”霓虹灯管中封存着氖、氩等惰性气体,电子在其中跑来跑去,撞到气体原子时,就会使后者受激发光。不同的原子在不同条件下受到激发,会发出不同颜色的光,于是我们就看到了五颜六色的霓虹灯。
  极光也是如此,来自太阳的带电粒子闯入地球大气层时,会在不同的高度撞到不同的气体分子,发出不同颜色的光。通常来说,在200公里以上的高空,带电粒子撞到氧原子时,氧原子会受激发出红光;在100~200公里高空,氧原子则会受激发出黄绿色光,这是极光最明亮、最常见的颜色。电离状态的氮则会发出蓝光,中性的氮受到撞击时发出的则是紫红色光。“所以,极光帷幕上最高处一般是红色,中部是白绿色,低处边缘是蓝紫色。”
  北极光有不同的形状和结构,最常见的是帷幕状移动和闪烁。“极光活动就像磁层活动的实况电视画面。你能看到的戏剧化移动,瞬间消失,迅速出现,都是太阳风引起地球磁场震动的表现。”
  北极光一般遵循持续11年的太阳活动周期,在这个周期内,北极光出现频率先是达到一个峰值,接着逐渐减少,直至最低谷。“太阳活动剧烈的年份也是观察极光的好时候。”
  “观看极光的最佳地点当然是在高纬度地区。距地球磁极大约1000~3000公里的地区北极光每晚都会出现,它横跨斯堪的纳维亚半岛北部到俄罗斯北部,然后穿过阿拉斯加和加拿大北部,并进一步横跨格陵兰岛和冰岛南部,这些国家都是不错的极光观测点。”
  在挪威北部地区几乎每一个黑暗晴朗的夜晚都能看到极光。“事实上,极光通常很淡,并没有长时间曝光的图片那么绚烂,但足以令人激动,不亲眼一见非常遗憾。”布莱克说他印象最深的一次是2012年。“当时举办一个很大的国际会议,这个会议已经举行了7年,每年都遇到很糟糕的天气,但是那一年天气甚好,大家出城看到了绚烂的极光。很多人因为是第一次看到如此梦幻的景象激动得想哭,这让我也很感动。第二天同行的人说这是一个梦,我们一起做过的梦。”
  不光地球上有北极光,很多行星都会出现这样的奇景,比如木星、土星、天王星、海王星。这些行星都有大气和磁场,极光以同样的机制出现。木星和土星这两颗行星的磁场比地球更强,哈勃太空望远镜可以清楚地看见这两颗行星的极光。
  “如今,科学家已经不需要像往年那样在天寒地冻的野外观测极光,他们可以坐在舒服温暖的房间里,通过各种仪器和设备进行研究。”由于观测容易、气候温和,挪威相继成立了大量的极光研究机构,包括安德亚火箭发射场(And?ya Rocket Range)、阿洛玛观测站(Alomar Observatory)、欧洲非相干散射斯瓦尔巴雷达(EISCAT Svalbard Radars),以及位于斯瓦尔巴群岛的亨里克森观测站(Kjell Henriksen Observatory)。

北极光会出声?


  “北极光有一个未解之谜,它究竟会不会发出声音?”
  很多人宣称强烈的北极光会伴随着声音,一些人坚称他们能听到一些声音,常常和北极光的运动同步。记录在案的极光声音类似于“噼啪”声和低沉的轰鸣声,持续时间短暂而微弱,需要认真倾听。
  能否听到北极光和它的高度有很大关系。北极光的高度很长一段时间内是一个有争议的话题,有人认为北极光距离地表几公里,也有人认为有800公里。今天我们知道它通常为80~300公里,有时候会在500~800公里。
  “北极光发生在离地表80公里以上的空间,那里近乎真空。因为声波不能在真空中传播,所以声音很难传到地面上。”
  对于这个问题有一个有趣的解释。1911年,第一个到达南极点的挪威探险家罗尔德·阿蒙森(Roald Amundsen)的同伴约翰森(Hjalmar Johansen)在日记里写道,阿蒙森出去之后告诉同伴,他呼气时能听到自己的呼吸被冻住的声音。于是约翰森和另外一个人也出去尝试了一下,同样也听到了“噼啪”声,这种声音他们曾在挪威斯瓦尔巴群岛出现强烈极光的时候听到过。而当他们屏住呼吸,摇晃脑袋,声音就消失了。
  2012年,芬兰阿尔托大学的研究人员在一个记录极光声音的观测地安装三个独立的扩音器,比较了扩音器捕捉到的声音,发现这些声音来自地面以上约70米的高空,而北极光则出现在地面以上约120公里的地方。科学家无法确定声音是如何出现的,他们记录到很多种类的声音,这意味着声音是由不同的机理共同产生的。
  “挪威萨米人称北极光为‘guovssahas’,意思是‘可以听见的光’,似乎有其合理之处。”极光还有很多至今无法解释的现象,比如令人震撼的极光碰撞等现象。“随着对太阳和地球磁场的深入了解,人们发现北极光越来越多的秘密,但这并不妨碍你被它的神秘莫测所震撼。”布莱克伸出手臂做拥抱状,“欢迎大家来挪威看北极光。”

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分类:45期 | 标签: | 14 views