正文
太阳耀斑与极光是什么
极光形成的原因
1、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。
2、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。极光不只在地球上出现,太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。
3、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。
4、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。
5、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。
6、按激光激发粒子类型,可分为电子极光、质子极光等。
7、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
为什么北极有极光
高纬度地区都有的,极光(Aurora),是一种绚丽多彩的发光现象,其发生是由于太阳的高能带电粒子流(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。在北极被称为北极光,在南极被称为南极光。太阳光与地球大气的相互作用无时不刻的发生着。在日间,日光激发地球大气的原子、分子和离子,使它们激发或电离;到晚上,电子由高能级回到低能级,发射不同波长的光。此外,由于太阳给地球带来的不仅是光线,还有粒子。太阳风就是一种持续的粒子流,不但经过地球、其他行星,甚至最终到达太阳系外。不时发生的太阳耀斑、日冕物质抛射等现象,还会抛来高速的粒子,形成壮观的极光。地球的极光是太阳风使高层大气分子或原子激发(或电离)而产生。美丽的极光是太阳风、地球磁场和大气层共同作用的结果。太阳风中高能带电粒子的能量、数量和大气层中不同高度处不同原子、分子的特性直接决定着极光的颜色和强度。入射离子的能量高低决定了粒子能够冲入大气的深度。在不同的高度碰到不同种类的气体分子便会产生不同的颜色。极光的颜色有红、绿、蓝、紫等,绚丽多彩,大家并不一定亲眼见过极光,但在一些影像资料里都被极光的绚丽多彩所吸引。极光大多出现在地球南北两极附近,这是由于地球磁场的影响。本文拟通过高中物理所学的知识来解释极光为什么大多出现地球南北两极附近。2.理论解释想要解释极光出现在地球两极附近的原因,我们首先要来了解地球的磁场。地球磁场是地球周围空间分布的磁场,是地球生命的保护伞。我们可以把地球视为一个巨大的磁铁,其中地磁北极大致在地理南极附近,地磁南极则在地理北极附近。这两极所产生的球体磁场即为地球磁场。磁感线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的,两极附近则与地表垂直。赤道处磁场最弱,两极最强[1],如图1所示。太阳风是高能带电粒子,进入地球磁场后,与大气层中的分子和原子发生碰撞,使之成为激发态的离子,并发射出不同波长的辐射。地球中性大气的粒子能量较低,而从宇宙空间来的能量较高的粒子会对它进行碰撞、激发。能量较高的粒子往往带电,带电粒子在磁场中要受力偏转,所以我_地球周围的磁场对我们是一个保护,把充斥在宇宙空间中、对我们人体有害的高能量粒子挡在外边[2]。太阳发射的带电粒子并不是直线行进的,它会在地球磁场作用下沿曲线轨迹移动。由于地球磁场的作用,大多数带电粒子会偏向地球两极,仅有少数高速粒子能够到达赤道上空的大气,这就如同是在地球周围搭起了一个隐形的保护罩。为什么大多数带电粒子会偏向地球两极呢?下面我们就用所学过的高中物理知识来解释。我们在新课标高中物理选修3-1第三章磁场中学到[3],运动的电荷在磁场中会受到洛伦兹力的作用。运动的带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力的方向,与运动方向和磁感应强度的方向都垂直,它的指向可以依照左手定则判定:伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入,并使四指指向正电荷运动的方向,这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。如图2所示。负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。一般情况下,电荷量为q的粒子以速度v运动时,当电荷运动的速度方向与磁感应强度方向夹角为θ时,电荷所受的洛伦兹力为F=qvBsinθ(1)沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子,在匀强磁场中做匀速圆周运动。从地磁场的示意图1中我们可以观察到,在地球的赤道附近,磁感线的方向大致与地球表面平行,当太阳风进入地球赤道上方的大气层时,带电粒子由于受到洛伦兹力的作用而发生偏转,可以近似认为带电粒子做圆周运动,圆周的轨迹与地球赤道平面平行。太阳风由于受到了洛伦兹力的作用,这些粒子与大气层中分子、原子的电离并没有穿过大气层进去到我们的眼睛,所以在赤道附近的区域并不能看到极光现象。而在地球两极附近,由于地球的磁感线近似垂直于地球表面,带电粒子与磁感线的方向近似平行,可以用左手定则判断,这时带电粒子所受的洛伦兹力的大小近似等于零。换句话说,在地球两极附近,太阳风与大气层中粒子电离的粒子更容易穿越大气层到达地球表面,所以在地球两极附近更容易观察到极光现象。也就是说,激发极光的高能粒子需要沿着磁感线飞行,其所沿着的磁感线发源于南北两极附近的区域,所以极光更容易出现在南北两极附近的区域。这就是为什么在南北两极附近,我们更容易观察到美丽的极光现象。3.结论本文通过高中物理所学的知识-洛伦兹力解释了极光现象容易出现在地球两极附近的原因,解释的方法通俗易懂,思路清晰。极光现象是较为复杂的物理现象,现代的物理学家们仍旧对其的产生和形成进行着深入的研究。本文利用新课标高中物理选修3-1中磁场这一章中洛伦兹力的定义解释了极光出现在地球两极附近的原因,用较为简单的理论清晰的解释了极光现象的相关物理原因,为利用高中物理知识来解释天文现象提供参考。来源:高考·中
太阳耀斑与极光是什么
1、太阳表面经常发生强烈的爆炸。这种爆炸就是我们看到的耀斑,能在短短几秒内释放出上百万颗原子弹的能量。当耀斑发生时,太阳的大气层会被吹出一个巨大的洞,并发出十分强烈的光、电磁波,高能X射线及数以百亿计的带电粒子,这种现象被称作太阳风。当太阳黑子最活跃时,耀斑和太阳风也发生的最频繁最剧烈。
2、耀斑能引发地球上一些有趣的现象。从太阳吹向地球的带电粒子在几天内到达地球,这些粒子被地球磁场俘获,最后以几万千米/秒的速度坠向大气层,其结果产生了地磁暴;干扰地球的磁场,使指南针不停摆动,对广播也有影响;使输电线的断路开关受损;使地球两极出现极光。
3、我们所见的南、北极光是地球大气与太阳大气接触的结果。当太阳风吹出的带电粒子到达地球时,它们与地球周围油炸圈饼状的巨大磁场相作用,地球磁场使这些粒子改变方向并引导它们落到地磁场的南北两极,以接近光速的速度与地球的外大气层,撞向我们头上数英里的氧和氮原子,当碰撞发生时,这些空气中的原子将会发光,这即是我们说的南极光和北极光。
4、极光有不同的种类和颜色。有时极光看起来是无定形的粉红色,在天空中一闪而过;有时极光看起来像窗帘或挂毯,在空中慢慢起伏,随风飘荡;有时极光仿佛是从高处喷出的一条辐射线。极光可以是白色、暗红色、桔黄色、绿色或蓝色,这取决于带电粒子自身的能量及撞击的空气中原子的种类。极光有时仅仅持续几分钟,有时却持续一整夜,这取决于太阳风的强度及持续时间的长短。
5、民间传说给出了极光颜色的许多解释。一些爱斯基摩部落认为极光是他们已故的祖先的灵魂在空中奔跑,用海象的头骨玩一种球赛;在古老的中国,极光被认为是天上的龙在打斗;维京人认为极光是黑暗天空中的火炬发出的光,指引新的灵魂到达瓦尔哈拉殿堂。
6、一年中没有最适合看极光的时间。极光不会在一年中的特殊季节发生得更频繁。因为它是由太阳风引起的,所以极光的周期和强度与太阳黑子的活动周期相关。当太阳黑子活跃时,极光会更亮、发生更频繁,当太阳黑子不活跃时,极光出现的更少。下一次的黑子活跃期大概是2012年,届时将可能有南、北极光。
7、南北极光并不是在南北极方向发生更频繁。从太阳发出的带电粒子并不是被准确的引导到地球两极,而是围绕地磁的两极成环带状,极光就经常发生在这一环带上。以北极光为例,包括阿拉斯加,加拿大北部到接近东南部的地区及北太平洋,还有斯堪的纳维亚半岛的北部,俄罗斯北部。从人造地球卫星上看,极光像是围绕地球的一条光带,有极光的区域能膨胀或压缩,但在美洲大陆却不一样,在加勒比海地区等低纬度地区甚至也看到了极光,但这种现象毕竟很少。南极光经常发生在南极洲大陆外的环带上,因此不易被看到。
8、极光经常在两个半球同时发生。太阳风吹出的带电粒子撞击地球大气层时,它们受磁场力作用,在南北磁极间运动。这些粒子的速度极快,当他撞到阿拉斯加上空的氧原子,下一秒就已经撞到了南极洲上空的氧原子。因此,极光常常同时出现在两个半球,并且具有相同的形状。
9、极光发生在离地面80~160千米的空中。正是在这样的高度,从太阻发出的带电粒子最容易与大气中的氧和氮原子发生碰撞。从太空中看,这一说法是很有依据的。从宇航员偶然拍下的照片上看出,极光像是挂在地球上80千米高的窗帘。
10、一些有强磁场和大气层的行星也有极光。哈勃空间望远镜的图片显示,土星和木星有极光。旅行者探测器的数据显示,海王星、天王星很可能也有极光。
11、太阳上的“一天”时间不一样。与地球一样,太阳也有自转,但跟地球不同的是太阳不是固体,因此不同的纬度转速不一样,在太阳赤道,转一圈要25个地球日。纬度越高,转速越慢,在靠近两极的地方,转一圈要约31个地球日。在地球上,在你南面的地点无论多久都在你的南面,但在太阳上,这不成立。越靠近赤道,转得越快,就会滑向东边。这是流体的情形。
12、太阳像是空间的一块巨大的磁铁。与地球类似,太阳内部好像有一个巨大的磁铁,这磁铁产生了巨大的磁场,在太空中绵延数亿千米,并控制周围热气体的流动。每隔11年,在黑子活动周期的开端,磁场南北极会颠倒一次,而太阳自转轴保持不变。