活久见!为什么在北京也能看见极光?

昨天晚上，许多人的朋友圈被“极光”刷屏了，尤其是北京人和河北人。

极光，听起来似乎是位于遥远的北境之地才能观察到的独特大气现象。但就在12月1日晚上，我国多地都传来了观测到极光的消息，不仅纬度较高的黑龙江、内蒙古、新疆观测到了极光，甚至在纬度更低的河北以及北京的怀柔、门头沟等地，也有许多人拍摄到了极光！



北京时间12月1日晚，北京观测到的极光（红色为极光）

虽然过去国内也有过不少极光观测报告，但不论是分布范围还是可见程度，本次极光的实际拍摄效果都堪称国内罕见。连中国天气也兴奋地发布消息说，“这是历史性的时刻”！

极光，可谓最绚丽又最神秘莫测的大气现象，它的出现常常出人意料，目前仍无法完全准确地给出预报。极光形状变化迅速，就像夜空中舞动的一团野火，或绿色，或红色，亮时可以照亮整个大地。

相传，黄帝轩辕氏之母附宝在野外散步，突然看见“大电绕北斗枢星，光照郊野”，由此感而受孕，生下黄帝——这里的“大电”就是指极光。居住在北极圈的因纽特人则以为那是天上的灵魂为死者点燃的炬火。屈原则用“烛龙”指极光：“日安不到，烛龙何照？”



北极地区的极光。

极光的观测历史十分悠久，但顾名思义，极光一般出现在北极圈或南极圈附近。然而漠河地区的纬度最高只有北纬53°，而北京的纬度甚至只在北纬40°附近，为什么这些地方也看见了极光？



极光从何而来？

北京竟然也能看到极光？这要从极光的成因说起——极光就像太空中的战火，其实是太阳风冲击地球大气层的产物。

太阳的最外层被称为日冕，在这里，每时每刻都有大量高能带电粒子离开，像风一样吹往太阳系空间，这就是太阳风。太阳风的速度高达每秒数百公里，相当于光速的几百到几千分之一。

大约2至3天后，部分高速带电粒子就会来到地球。如果它们与地球大气层中的原子相撞，就会让原子获得一定的能量，使原子跃迁到激发态。但原子不会一直待在激发态，而是会在一段时间后跃迁到低能状态，同时辐射出一个光子——这些光子就组成了我们所看到的极光。



12月1日，阿勒泰地区拍摄的极光。

摄影/李若渔

但面对这些高能带电粒子，地球有一个天然的保护罩：地磁场。地球核心的温度高达数千摄氏度，在对流驱动下，这里产生了巨大的电流。根据奥斯特定律，电流会产生磁场，所以地核就像一块电磁铁，产生了一个巨大的地磁场把整个地球“包裹”了起来。

地磁场不仅能为我们的手机导航，也可以使大气免遭高能带电粒子轰炸。高能带电粒子在击中地球大气之前，会先被地磁场束缚住，它们沿着磁力线向南北两极移动，只能与极区上空的大气层相作用，产生“极”光，而较低纬度上空的大气层则安然无恙。这种保护整个对地球生态环境至关重要。



通过SOD捕捉到的太阳风暴画面。

但这只是“一般”情况。太阳系并非总是“风调雨顺”，如果有较猛烈的太阳活动，那么我们的地磁场也有失守的时候。一旦出现太阳风暴，尤其是发生日冕物质抛射（coronal mass ejection）时，太阳就会把数亿吨以上的物质从日冕抛射到太阳系空间中。当这些物质抵达地球，就会大幅度挤压、扭曲地球的磁场——这就是地磁暴。

地磁暴会使极光发生的范围明显扩大。但它还可能造成危害，对短波通讯、卫星定位以及各种航空航天活动造成影响，甚至对动物也有影响，例如导致信鸽迷路。最极端的情况下，地磁暴甚至会损坏地面电力系统。

例如在1989年3月13日发生的地磁暴，一度使加拿大魁北克全省停电。有历史记载的最强地磁暴，是1859年9月1日的卡林顿事件，曾导致当时已遍布欧美的电报系统陷入瘫痪。那时，从极地地区一直到低纬度的墨西哥、澳大利亚等地都出现了极光，中国的古书里也留下了极光记录——《栾城县志》（栾城位于今天河北石家庄）曾记载：“秋八月癸卯夜，赤气起于西北，亘于东北，平明始灭。”



国际空间站宇航员拍到的极光。

幸运的是，由于光速比太阳风暴的速度快得多，太阳光只需要八分钟就可以到达地球，2-3天之后，太阳风暴才会抵达，所以可以通过卫星天文台对太阳活动进行实时监测，对地磁暴及可能的危害做出预警，顺便也能为极光爱好者提供预报——这就是空间天气预报。与“打雷刮风下雨”的传统天气预报的功能类似，空间天气预报对许多科技领域尤其是航天活动至关重要。



为什么北京也能看到极光？

前几日的空间观测表明，11月27日至28日（世界时），太阳先后出现了4次日冕物质抛射。随后中国气象局国家空间天气监测预警中心发布地磁暴预警，11月30日至12月2日可能出现地磁暴活动，其中12月1日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴。

地磁暴果然如期而至，根据中国科学院空间环境预报中心的监测结果，其中北京时间12月1日17:00-20:00，甚至达到大地磁暴（Kp=7）的水平。这就是为什么北京这次也能看到极光。



12月1日，阿勒泰地区拍摄的极光。

摄影/李若渔

这次国内拍到的多数是红色极光。如前所述，极光是由地球大气中的原子受到来自太阳的高能带电粒子冲击之后产生的。红色极光是氧元素的630纳米辐射，产生于相对高层的大气；而在极区更常见的是绿色极光，它是氧元素的557.7纳米辐射，产生于相对低空的大气。

对于绿色极光照片，如果仔细观察也可以发现，其顶部有一段是红色的。由于我国地理纬度较低，国内能看到的极光往往产生于更北方地区上空的大气，在传播的过程中，低空部分的绿光已被地球曲面挡住，只剩下来自高层大气的红色极光，所以在国内常见的极光是红色的——

正因如此，对国内的观测者而言，观测极光要面朝北，包括东北和西北。不过，这次在漠河等更靠北的地区，也有人拍到了国内罕见的绿色极光。



绿色的极光一般在纬度较高的地区才更好观测。

当然，看极光就像看星星一样，白天太亮不适合观测，所以看极光需要黑夜，环境越“黑”——晴朗无云、远离城市光污染、视野开阔——越适合观测。

目前看来，本次地磁暴除了让国内极光爱好者大饱眼福之外，并未造成太大破坏。太阳风暴对地磁场的影响也是暂时的，不久就会恢复，因此也不用过于担心。

对于错过了本次极光的爱好者，不妨平时多留意空间天气预报，等下一次出现太阳爆发再做好观测准备。由于太阳活动存在11年左右的周期性，活动强度目前正处在向极大值逼近的过程中，预计在2025年达到峰值，所以明年或后年可能会有更多观测极光的机会在等着我们！



撰文 | 远镜

编辑 | 小球藻

封图摄影 | 视觉中国

头图摄影 | 李若渔

未标注图源｜视觉中国

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参考资料
中国科学院空间环境预报中心

中国气象局国家空间天气监测预警中心

《大地磁暴预警！！！》，“空间天气”，Ocean

《绚丽多彩的极光，竟是30年前这场大停电的元凶？》，“格致论道讲坛”，尧中华

Aurora、Carrington Event、Coronal mass ejection，Wiki

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