极光(卷名：固体地球物理学 测绘学 空间科学)
aurora
由来自磁层或太阳的高能带电粒子撞入极区高层大气所激发的发光现象。在北半球，人们总是从北边天空看到极光，称为北极光。南半球看到的极光称南极光。
早在2000多年前，中国就有了用肉眼观测极光的记载。18世纪，俄罗斯科学家罗蒙诺索夫(М.В．Ломоно-сов)用诗歌生动地描绘过极光发生的情景。1867年，埃斯特罗姆（A.J.Angstr╂m）第一次用摄谱仪记下了极光光谱。1939年，挪威学者韦加德(L.Vegard)在极光中发现了氢原子光谱，随后证实了质子极光的存在。随着火箭和卫星探测手段的出现和光学、无线电等观测仪器的改进，人们对极光的认识更加深入和全面。
分布
在地球上，夜间极光出现在围绕地球磁极并离极约23°的带形区，实际上它是位于地球上空整个极光卵的一部分。卫星观测表明，地球南北磁极附近各有一个始终存在的极光卵(图1)，它在磁静时收缩，背阳面午夜区在磁纬70°的110～120公里上空盘旋，向阳面在磁纬75°的 170公里上空盘旋。磁扰增强时，极光卵向赤道方向扩大，它的背阳面可伸到磁纬60°甚至50°以南，向阳面可伸到磁纬70°。极光卵不随地球旋转，而地球在它底下每天转动一圈。一般称夜间极光卵经常居留其上空的地带为极光带。北极光带穿过斯堪的纳维亚和冰岛北部、格陵兰南部、哈得孙湾南部、阿拉斯加中部和西伯利亚北部海岸。南极光带大略围绕南极洲海岸。因为极光发生在 100公里以上高空，在良好气象条件下，最远可在1000公里远处望到，所以位于磁纬67°～76°的人，在每个晴朗的傍晚和凌晨可以看到。76°以上极区，每天中午都有极光，但是，只有在白昼最短的冬季一些晴朗日子才能用肉眼看见，称日照极光。照像和雷达观测均表明：极光活动有昼夜和季节起伏，活动最大值在 23点和春秋分季节（3～4月和9～10月）；极光活动有27天周期和11年周期变化。由于极光和地磁扰动均集中在极光带上空，这就使我们相信，来自太阳活动区的高速带电粒子（电子、质子）能通过地球磁场活动进入极光带高空。
形态 极光景色壮观，绚丽多姿。如果从地面上观察，极光可分为4种几何形状：①均匀的较稳定的光弧光带，它们沿磁纬方向分布，极盖区近似沿太阳方向，厚度几公里至几十公里，长达1000公里，移动速度慢，氧原子绿线强度约几万瑞利；②带有射线式结构的光帘幕、光弧、光柱和光带等，日冕状光块也属于这类。它们沿磁力线方向分布，平均厚度约200米，并随亮度增加而变薄，长数十至数百公里，移动速度快(50公里／秒)，氧绿线强度在100万瑞利以内;③弥漫状极光主要指云形斑块群，沿磁纬方向分布，每块光斑面积在100平方公里左右，亮度最低，氧原子绿线强度约几十瑞利，只有很强的弥漫状极光，才能被肉眼看见。④大的均匀发光面。常见的红色极光光面就属于这一类。如果从卫星上拍照，通常只能分辨出两种极光：结构清楚的极光和弥漫状极光。前者主要是射线式结构的光弧、光带、光柱和帘幕，它们比较明亮；后者指云形斑块和弱的光弧、光带。
常见的极光形态如图2。其形态是变化的。极光开始时常常是均匀弧，亮度不随时间变化，后来亮度逐渐明显增加，均匀弧分裂成射线式结构，而后是帘幕状极光或极光冕；快速向上移动的火焰式极光，往往出现在极光冕之后。有的极光则是脉动式的。
光谱 有下列几种类型：①属原子禁线，指原子激发到亚稳态而发出的寿命长和跃迁几率小的谱线。如常见的OI(1D－1S)（5577埃）、OI(3P－1D)（6300埃和6364埃）、NI(2D－2P)（10395埃和10404埃）等，有较强的谱线强度，容易测定。②属原子允许线，指按量子力学选择定则确定的谱线，它一般表明原子激发到低的能量状态，如OI(35P－35S)（7774埃和8446埃），该谱线在高极光中相对强些。也有激发到较高状态的原子允许线，但强度太低，不容易从噪声背景电平上将它们区分出来。③是分子带系，这里最强的带系是分子允许带跃迁造成的，如氮分子离子N娚第一负系（3914埃、4278埃和4709埃，在充氮的放电管内，该离子发生在负极）和迈纳尔带(红－红外)。分子禁带跃迁造成的谱带较弱，如位于蓝光到紫外区的N2维加德-卡普兰带。O2大气带和大气红外带分别因强度幅度改变太大和大气吸收强，难于观测。
分类 极光按观测的电磁波波段分为光学极光和无线电极光；按激发粒子类型分为电子极光和质子极光。在光学极光中，主要为可见极光和X射线极光。可见极光有3种基本类型：①红色极光（A型极光），主要光谱成分OI(3P－1D)波长为6300埃和6364埃，多弥漫状光弧光面，主要是能量小于1000电子伏的电子激发的，一般分布在200～400公里高空，个别可伸向1000公里高度。②白绿色极光（普通型极光）。在可见极光中，以OI(1D－1S)波长5577埃为主，其次是N娚第一负系，5577埃线强度与3914埃带强度之比约为 2，氧红线成分少。由于人的眼睛在5550埃处最灵敏，所以，多数情况下极光呈现白绿色或浅黄绿色。它没有固定的几何形状，但多为射线式结构，是由能量为1000～10000电子伏的电子激发的，分布高度下缘在100公里左右，上限为140～180公里。③下缘为红色的极光（B型极光）以N娚迈纳尔带为主，多射线式结构，为能量大于1～3万电子伏的电子激发的，分布高度下缘在90～110公里左右，但个别低至65公里。高能电子在突然受到较稠密的大气成分阻滞时可产生X射线，称X射线极光，它是电子的韧致辐射，可以穿透到很低的高度(30～40公里)。无论是通常的可见极光还是X射线极光都是电子（次级或初级电子）激发的，称电子极光。70年代以来，人们对极光的研究还扩展到紫外极光和红外极光波段。因同氢原子或质子碰撞而发射的极光称为质子极光。最常见的质子极光是氢原子巴耳末线 Hα(6563埃)和Hβ（4861埃）辐射。它是能量为1～10万电子伏的质子进入地球大气所激发的。这种谱线与其他谱线迥然不同，质子在沿磁力线进入地球大气时，谱线特别展宽，并伴随着向短波的频移（多普勒效应），这类极光在纬度方向有几百公里，在径向有几千公里。
极光按发生区域分为极光带极光、极盖极光和中纬度极光红弧。极光带极光通常指磁纬60°～70°（确切地说是67°附近）夜间经常看到的极光，多为普通型极光和B型极光。极盖极光在磁静时的表现形式是日照极光，它是磁纬75°～90°白天经常看到的极光。日照极光的主要光谱成分是红光，可伸向1000公里高度，蓝紫光是另一重要光谱成分。许多日照极光看起来是紫色的，这是因为N娚的振动结构在日光下有荧光现象。还有一种极盖极光，是太阳色球爆发后喷出的100万～1亿电子伏的高能质子造成的，它均匀地覆盖在极地上空（有时延伸到磁纬60°），伴随云形光斑块，这种光称为极盖辉光，主要成分是3914埃。中纬度极光红弧是磁纬41°～60°地区在地磁活动增强期间可以看到的极光。红弧强度最大值在400公里附近，是一个南北长600公里、东西长1000公里以上的围绕地球的均匀弧，一般肉眼看不见，只有当红弧较强时才看得见。
极光与磁层 极光是太阳风与地磁场复杂作用的结果。磁层在太阳风作用下在背阳面拖得很长，形成磁尾，磁尾被等离子体片分成两个部分，紧靠磁尾电流流经等离子体片。在磁尾凸部地磁场磁力线是开放的，同行星际磁场联接，在极盖区同地球相通。在等离子体片地磁场磁力线的闭合磁力线与开放磁力线之间的表面是等离子体片外边界，后者沿磁力线在地球的投影是极光卵半夜的上边界。极光卵半夜的下边界恰好同等离子体片内部边界（即向赤道一边的边界）沿磁力线在地球的投影相吻合。在地球向阳面，开放磁力线与闭合磁力线之间的区域就是极尖。极尖在白天地球电离层的投影是日极光卵。
在磁层内部有连续的等离子体传输。磁静时，中性线远位于磁尾后部，等离子体片较厚，约为5～10个地球半径。地磁场活动时，磁尾区的磁通量增加。由于太阳风与磁层作用的结果而诱导出强烈的等离子体传输，能达到相应于地球较低磁纬度的区域，极光显著地向较低纬度迁移。
极光形态由静止到活动再返回静止条件的迅速变化称为极光亚暴。它有两个特征阶段:产生与增强阶段(极光卵扩张)和恢复阶段（极光卵收缩）。极光亚暴开始时，位于极光卵赤道一侧的静止的极光弧，突然增亮并转变成射线式光弧光带，接着向极区猛烈移动并产生大尺度折叠，形成帘幕状极光。在当地时间为前半夜地区，出现西行浪涌。极光亚暴处于最强盛阶段（往往在地方时间为午夜地区，分裂成数个射线或弧）。随后，在当地时间为后半夜地区，极光卵靠极区一侧的极光向极区移动，而极光卵靠赤道一侧的极光变成云形斑块群，两者随后均向东（指北半球）迅速移动，极光亚暴处于恢复阶段。极光亚暴是磁层亚暴的一种表现形式。
极光与电离层 极区电离层经常发生极光和磁扰。磁暴期间，高能电子束深入大气层，E层和D层的电离度大为增加。E层的异常电离常导致无线电通信中断(或干扰短波无线电通信)。离极光带越近，破坏越厉害。因为极光时 D层恰好在极光高度下限而有强带电粒子流通过，电子密度大大增加，造成无线电波的强吸收。磁暴时这种现象向赤道方向扩展。在早晨沿极光卵的极光亚暴中，常有X射线极光并发，这里具有1～10万电子伏的电子与低频（小于40千赫）无线电波作用形成哨声（见哨声和甚低频发射）。极光对电波传播有弊也有利:偶现E层的高电子密度能使频率高得多的电波通过极光的反射折射而传播，D层的异常电离导致微波散射，电视观众可以收到平时收不到的远距离电视信号。
雷达观测表明:10～100兆赫的无线电波在某些条件下，可被高层大气极光中的电离物质反射，使用大功率无线电讯号和大的天线，可以获得直 到800兆赫的反射。这种现象称无线电极光。应用这一技术，我们可以在日照的白天探测到极光，并追踪它的快速运动。(见彩图)。
参考书目
A.V.Jones，Aurora，D.Reidel Publ. Co.， Dordrecht，1974.
A.Omholt，The Optical Aurora， Springer-Verlag，Heidelberg，1971.