极光
村上春树在他的旅行随笔中记录了他在7国11地行走的所见所想，“那里有特别的光，吹着特别的风。人们的说话声萦绕在耳际，我能回忆起那时心灵的颤抖”。文中描述了他在冰岛看极光的场景，美妙而神奇。不能亲见，只能带着好奇去寻找，邀请了地理组白娜敏老师一起进行研究。
1
什么是极光
极光是出现在星球高磁纬地区上空中的，带电的高能粒子和高层大气中的原子碰撞，能量释放造成的发光现象。带电粒子来自磁层和太阳风，在地球上，它们会被地球的磁场带进大气层从而产生极光。极光的产生条件有大气、磁场和带电的高能粒子，三者缺一不可。多数极光会发生在极光带中，这是一个经度距离地磁极10°至20°，纬度宽约3°至6°的带状区域，极光在地球南极被称为南极光，在北极被称为北极光。当磁暴现象发生时，较低纬度地区也会产生极光。
2
地球磁场
高二理科班同学正在学习的是选修3-2的《磁场》部分，所以我们已经非常熟悉地球磁场的分布情况，而且物理中是不考虑磁偏角的。
在详细研究中，两极处的磁场形如漏斗，尖端对着地球两个磁极。
我们要研究的问题是为什么大部分时候极光总是出现在两极，而不是其他地方
3
带电的高能粒子流
上图绿色圈内为太阳风
太阳日冕层会发出等离子体高速带电粒子流，也叫太阳风，速度有多快呢？-km/s。这又是多大的一个速度呢？地面的12级台风的风速为32.5m/s以上，即使太阳风经过长途跋涉来到地球附近，速度也可以达到km/s到km/s。注意是千米每秒。
太阳风里是什么物质？主要为质子和电子，因为速度很大，动能就很大，所以称为带电高能粒子流。
风里含有的质子和电子数目很多吗？一点都不多，每立方厘米只有几个到几十个，而地球上风的粒子密度为每立方厘米亿亿（没错，两个亿字）个分子。
但是他们接下来会闯入地球磁场。
4
高能粒子流闯入地球磁场
我们需要知道太阳系中行星的排列：
从里到外第三个蓝色为地球，请注意，我们的观察重点是：太阳发出的高能粒子流会以怎样的方向冲入地球磁场，可以理解为对着于赤道，冲击地球侧面，如下图所示：
在赤道和南北半球部分，粒子流铺天盖地冲向地球。
高二理科同学请伸出左手。
正负电荷分别受力向那个方向？答案是向东或者向西，或者有东或者西的分量。于是，大部分粒子在到达地球时，会被地球磁场推开。但是他们仍然有速度。加之粒子流本身带电，当它运动起来后，等效电流又会形成自己的磁场，问题大大复杂，最终形成下图的包围情况（剖面图，其实是立体的）：
粒子运动方向如图：
动图如下：
所以地球磁场已经极大地保护了太阳风对大气的侵蚀，而火星就没有这么幸运。
粒子流在向地球扩散的过程中，会寻找到达地球的空隙，他们找到了两个极点附近的“圆锥”形磁场漏斗，降落到两极地区，而且是非常复杂的螺旋运动。
5
绿光哪里来
高能粒子流在进入两极附近大气后，在行进的过程中会不断碰撞大气分子，主要是氧气和氮气分子，他们一路高速行进，会给大气分子赋予能量，使得分子处于激发态，激发态不稳定，会释放一定能量的光子成为稳定态（物理选修3-5中会学到氢原子跃迁，情况类似）。所以极光的颜色主要靠激发态决定，也就是大气分子的种类和入射粒子的能量决定。
入射能量不太大时，主要是氧原子被激发，可产生淡绿色光芒，常见的就是这种绿色极光。根据高空中氧气分布情况和粒子能量大小，通常太阳风在大约60到英里高度处，就可以和氧气分子碰撞产生绿色极光。其他颜色在其他不同高度出现。
极光的表现形式多样。一般而言，极光产生后会呈现弥漫性的发光或“窗帘”，大致朝东西方向扩展。有时，它们会形成“静态弧”，其他“活跃极光”则会不停地变化，更换形态。每个帘幕由许多平行光线组成，它的形状受地球磁场的制约。根据卫星显示，此时电子会循着磁场线朝地球方向螺旋移动地球的南极和北极地区都能观赏到北极光，从颜色来讲，极光主要有红、绿二色，但有些光线经过氧或氮的辐射后，会呈现绿色或褐红色、蓝色或紫色。
6
观察北极光
·北极光观测时间
事实上，极光一年四季都在发生，但由于极光需要夜空衬托，而夏季的极圈地区会有极昼现象，所以人们无法在此观测到极光。适宜观测北极光的月份是9月末至次年4月初，北极光一般会在当地时间晚上10点至次日凌晨2点之间出现。
·北极光主要观测地
北极光的观测地有很多，如阿拉斯加的费尔班克斯、加拿大的西北部地区、俄罗斯的摩尔曼斯克、冰岛全境，以及其他北欧国家极圈内的地区。为你推荐的是几个北欧的最佳观赏地点。
在冰岛，极光活动强烈的时候，即便是在市区雷克雅未克内也能看见极光。除外，冰岛的各处景点也是观赏极光的最佳场所，如蓝湖温泉、辛格维利尔国家公园、*金圈、杰古沙龙冰河湖等地。
芬兰拉普兰有四分之三的地方在北极圈内，这里每年有超过两百个夜晚能看见极光。在拉普兰，你可以选择入住当地如列维滑雪度假村、爱斯基摩北极度假村等地的玻璃屋，然后美滋滋地躺在玻璃穹顶下观赏极光。
7
实验室的“极光”
物理也美丽，根据类似的原理，实验中可以产生相同颜色的“极光”。
这是我在办公室拍摄的，使用了洛伦兹力演示仪。电子枪发出运动电子，玻璃管内是低压水银蒸汽，可以显示出电子轨迹。
美丽的光芒居然来自下图这个陈旧的，其貌不扬的仪器，前后白色圈是励磁线圈，使得玻璃泡处于匀强磁场中。
知识是人们对世界好奇而进行探索的结果，因为视角和展开点的不同而形成学科。今天我们还原了知识本身，娜敏老师一定没有见过实验室的极光，而我也从没有联想到这束光线会有那么美。
End
（撰稿:白娜敏王少鹏编辑:贾姝媛审校:贾姝媛）
