极光是怎么形成的?太阳风暴的成因是什么?什么是电子流?

极光是怎么产生的呢
许多世纪以来,这一直是人们猜测和探索的天象之谜.从前,爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬.13世纪时,人们则认为那是格陵兰冰原反射的光.到了17世纪,人们才称它为北极光——北极曙光（在南极所见到的同样的光称为南极光）.
随着科技的进步,极光的奥秘也越来越为我们所知,原来,这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品.在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中,有一种能量被称为“太阳风”.太阳风是太阳喷射出的带电粒子,是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流.太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场.地球磁场形如漏斗,尖端对着地球的南北两个磁极,因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降,进入地球的两极地区.两极的高层大气,受到太阳风的轰击后会发出光芒,形成极光.在南极地区形成的叫南极光.在北极地区形成的叫北极光.
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极强的光,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.
目前,许多科学家正在对极光作深入的研究.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.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.
极光不但美丽,而且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.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.
极光 常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中的彩色发光现象.一般呈带状、弧状、幕状、放射状,这些形状有时稳定有时作连续性变化. 极光是来自太阳活动区的带电高能粒子“可达1万电子伏”流使高层大气分子或原子激发或电离而产生的.由于地磁场的作用,这些高能粒子转向极区,所以极光常见于高磁纬地区.在大约离磁极25°—30°的范围内常出现极光,这个区域称为极光区.在地磁纬度45°—60°之间的区域称为弱极光区,地磁纬度低于45°的区域称为微极光区. 极光下边界的高度,离地面不到100公里,极大发光处的高度约110公里左右,正常的最高边界为300公里左右,在极端情况下可达1000公里以上. 根据近年来关于极光分布情况的研究,极光区的形状不是以地磁极为中心的圆环状,而是更像卵形. 极光的光谱线范围约为3100—6700埃,其中最重要的谱线是5577埃的氧原子绿线,称为极光绿线. 早在2000多年前,中国就开始观测极光,有着丰富的极光记录.
极光是划过南北两极地区上空的耀眼的光象.至今还没有人确切地知道极光发生的原因,但人们通常认为极光是来自太阳微小高能粒子在地球磁场受阻后偏向的结果.一说是太阳高能粒子在地球磁场作用下和地球外层大气中氧氮原子撞击产生的辉光.太阳每11年左右有一个非常活动期,发出大量高能粒子进入宇宙空间.此时出现的极光最为瑰丽壮观.
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.在加拿大的丘吉尔城,一年在有300个夜晚能见到极光；而在罗里达州,一年平均只能见到4次左右.大多数极光出现在地球上空90—130千米处.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.太阳的外层大气,太阳日冕,持续不断地向外膨胀从而形成由太阳径向向外的等离子体流,通常被称为“太阳风”.
太阳风使彗星形成长长的向着反太阳方向延伸的彗尾.当人们欣赏美丽的彗尾的时候就可以想象太阳风的存在.在地球高纬区看到的多彩的极光现象,也是进入地球磁场的太阳风粒子经加速后在地球大气中沉降产生的.空间飞船的直接观测表明太阳风主要由质子和电子组成,但有少量氦核及微量重离子成分.据推测,在约100个天文单位（天文单位=日地平均距离=1.5×108公里）以外,太阳风将与起源于银河系的星际气体交界,太阳风的占据的空间范围称为“日球层”.研究太阳风的物理过程及其规律已成为空间物理学中一个新的学科分支-日球层物理学.
太阳风的发现是20世纪空间探测的重要发现之一.经过近40年的研究,对太阳风的物理性质有了基本了解,但是至今人们仍然不清楚太阳风是怎样起源和怎样加速的.很明显,太阳大气通过太阳风的形式不断地损耗其质量和能量.可是太阳风是怎样得到等离子体的供应及能量的供应的问题是空间物理学领域中经长期研究仍悬而未决的一大基本课题.
太阳风构成人类活动的外层空间环境.太阳大气的扰动通过太阳风传到地球,通过与地球磁场的相互作用,有时会引起一系列影响人类活动的事件.例如通讯卫星失灵、高纬区电网失效,及短波通讯、长波导航质量下降等.太阳风的变化还可能会引起气象和气候的变化.由于21世纪人类将进一步利用地球的外层空间环境,空间环境预报（或叫“空间天气”预报）将会十分重要.搞清楚太阳风的起源及其加热和加速机制对于建立有效的空间天气预报体系有着十分重要的意义.宇宙中,许多恒星,以至许多星系都会向外发出它们自己的“风”,导致其物质的损失并影响其周围的星际空间或星系际空间.太阳风是唯一能直接观测到的恒星风.对太阳风起源和加速机制的研究必然对这一普遍的“风”的现象-宇宙等离子体-的认识有着至关重要的影响.
国际日地物理学术计划近期发射的观测太阳及太阳风的飞船有“太阳探针（solar probe）”、“太阳水星观测站（Sun and Mercury Observer InterHelios）”、先进成分探测器（Advanced Composition Explorer,ACE）及“空间太阳望远镜”.上述设计中的四个重要飞行计划如果能付诸实施,太阳风的起源和加速问题的研究会被向前推进一大步.由于对太阳大气的高分辨率的观测及对近日太阳风甚至对日冕的直接观测都是一些昂贵的空间飞行项目,国际合作在这一领域内显得十分重要.