極光現(xiàn)象及其物理分析

極光現(xiàn)象及其物理分析第1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五明亮夜空：2月19日，攝影師卡斯汀·朗恩伯格（KerstinLangenberger）在冰島拍攝了這張滿月下的北極光照片第2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五宛若仙境：鏡頭下，冰島的辛格維爾國(guó)家公園白雪覆蓋，夜空中極光繽紛，在這綠色和紫色的天空帷幕下，一切宛若仙境第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五水中倒影：這張照片拍攝于挪威洛夫騰（Lofoten），時(shí)間是2010年3月

第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五滿月當(dāng)空：挪威洛夫騰，滿月和極光交相輝映，2010年3月

第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五木星上的極光第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五木星上的極光第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五木星上的極光第8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五極光的產(chǎn)生極光（Aurora或Polarlight或Northernlight）出現(xiàn)于星球的高磁緯地區(qū)上空，是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。而地球的極光，由來(lái)自地球磁層或太陽(yáng)的高能帶電粒子流（太陽(yáng)風(fēng)）使高層大氣分子或原子激發(fā)（或電離）而產(chǎn)生。極光產(chǎn)生的條件有三個(gè)：大氣、磁場(chǎng)、高能帶電粒子。這三者缺一不可。極光不只在地球上出現(xiàn)，太陽(yáng)系內(nèi)的其他一些具有磁場(chǎng)的行星上也有極光。第12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五極光產(chǎn)生原理來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的高能粒子（電子和質(zhì)子）撞擊高層大氣中的原子，被地球磁場(chǎng)俘獲，并使其朝向磁極下落。它們與氧和氮的原子碰撞，擊走電子，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，這些離子發(fā)射不同波長(zhǎng)的輻射，產(chǎn)生出紅、綠或藍(lán)等色的極光特征色彩。地球磁層磁力線攜帶太陽(yáng)風(fēng)的能量進(jìn)入地球內(nèi)部，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了地磁場(chǎng)的形成。在這磁層磁力線閉合環(huán)路上除了有地球內(nèi)部的導(dǎo)電體之外，另外還有大氣層的電離層這一弱導(dǎo)電體。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)烈時(shí)，磁力線能量遇到地球內(nèi)部的磁感抗，有許多能量消耗不掉，于是就在電離層處形成了極光。第13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)高能帶電粒子流的微觀分析首先，對(duì)高能帶電粒子來(lái)說(shuō)，在運(yùn)動(dòng)到地磁場(chǎng)的作用范圍內(nèi)時(shí)，因?yàn)榈卮帕?duì)粒子的偏轉(zhuǎn)作用，粒子繞地磁場(chǎng)的場(chǎng)線旋轉(zhuǎn)，逐漸逼近地磁場(chǎng)的兩極，因而高能電子與高層大氣的碰撞發(fā)生在地磁場(chǎng)的兩極第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)高能帶電粒子流的微觀分析這里我們從極化的角度來(lái)分析一下：如圖，我們將高能帶電粒子流中速度相同的粒子看做參考系，那么高空中的電介質(zhì)（其中大多數(shù)是無(wú)極分子）向帶電粒子做高速運(yùn)動(dòng)，就某一瞬時(shí)來(lái)看，無(wú)極分子發(fā)生位移極化，正負(fù)電子的“重心”不再重合，于是在分子之間產(chǎn)生極化場(chǎng)，其中第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)高能帶電粒子流的微觀分析然而，從電容器中當(dāng)電介質(zhì)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)某一極限值時(shí)，絕緣性能就被破壞這一現(xiàn)象類比推理可得：高能帶電粒子產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)以及快速接近的距離足以讓讓大氣中的無(wú)極分子和有極分子所處的場(chǎng)強(qiáng)在一極短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到并超出擊穿場(chǎng)強(qiáng)，電子被激發(fā)到高能級(jí)。然而過(guò)于擁擠的環(huán)境及原子核的束縛力又讓電子回到低能級(jí)（其實(shí)并不一定是回到它自己之前所在的原子核上）發(fā)光現(xiàn)象就在這一刻產(chǎn)生。第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)高能帶電粒子流的微觀分析然而，這種現(xiàn)象還可以有這樣一種“有趣”的解釋：將高能帶電粒子看做“電子束”，而高空中的大氣看做“熒光屏”，我們驚奇的發(fā)現(xiàn)種現(xiàn)象儼然成了一臺(tái)大的電視機(jī)模型；“電子束”發(fā)射后在打一塊“熒光屏”上，“熒光屏”發(fā)光。這樣的解釋更直觀的解釋了極光為什么會(huì)“五顏六色”？第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)高能帶電粒子流的微觀分析即氧被激后發(fā)出綠光和紅光，氮被激后發(fā)出紫色的光，氬激后發(fā)出藍(lán)色的光，就像電視的光束只有紅、綠、藍(lán)三種顏色一樣，空氣中混合的各種氣體為我們呈現(xiàn)出了各種各樣迷人的色彩（這里我們想到一個(gè)問(wèn)題：大氣組成的各個(gè)時(shí)間是基本相同的，為什么大多時(shí)間這些氣體發(fā)出的光所混合成的顏色不同？）第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)極光現(xiàn)象的推衍第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五推衍高能帶電粒子流、高空大氣、地磁場(chǎng)的關(guān)系可以看成如下所示：

高能帶電粒子高空大氣

地磁場(chǎng)極化場(chǎng)強(qiáng)電磁力電磁力第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五推衍對(duì)宇宙空間中高能帶電粒子流的分析同時(shí)可以讓我們更深刻的認(rèn)識(shí)地磁場(chǎng)對(duì)我們生活的深刻影響。為什么人類可以健康的生活在地球上而不受紫外線等有害射線的干擾？為什么似乎跟我們的生活毫無(wú)干系的太陽(yáng)風(fēng)能讓我們的通訊幾乎完全癱瘓？然而，對(duì)于致力于奔向外太空的人類來(lái)說(shuō)，這些粒子射線就是我們要過(guò)的第一道檻。第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五我們自己的聯(lián)想第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

既然地球兩極的磁場(chǎng)可以的到通過(guò)地磁場(chǎng)發(fā)出美麗的極光，那么我們的想法是：可不可以通過(guò)在中國(guó)的某一塊土地上放一塊很大且可以產(chǎn)生很強(qiáng)電磁場(chǎng)的磁體來(lái)讓極光”眷顧“我們這個(gè)地方，如果可以的話，需要多大的磁體呢？放在哪里所需要的磁體可以盡可能的小呢？以后我們的太空飛船飛出太陽(yáng)系的時(shí)候可不可以用一塊很大的磁鐵來(lái)阻止宇宙射線的照射呢？第23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五最后，請(qǐng)大家欣賞俄國(guó)作家羅蒙諾索夫的一首詩(shī)題目是————第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五極光自然的規(guī)律安在？在半夜時(shí)升起了晨曦，這不是太陽(yáng)設(shè)置的寶座，也不是冰封的海洋，而是閃動(dòng)的火焰。??！冰冷的火籠罩著我們，??！雖說(shuō)是夜里，白天卻來(lái)到了人間。是什么令明亮的射線在黑夜中抖動(dòng)，又是什么