作者：李會超 （中國科學院國家空間科學中心）

2017年9月5日，NASA為了紀念旅行者號計劃實施40周年，向旅行者1號和2號飛船發(fā)出了“你在繁星間帶去友誼，你并不孤單”的問候。

似乎是為了配合這一紀念活動，太陽在其表面釋放了兩朵燦爛的煙花：北京時間9月6日17時10分和19時02分，編號為AR2674的太陽活動區(qū)爆發(fā)了兩個能量巨大的太陽耀斑。隨之發(fā)生的日冕物質(zhì)拋射在9月7日—9日到達地球。 

(SDO飛船拍攝的太陽耀斑大爆發(fā)。圖中顯示的時間為UTC時，即北京時間前推8小時。)

耀斑和日冕物質(zhì)拋射將會給航天、導航、通訊、電力等方面的設施造成影響。

因此，當中美歐多家空間天氣預警機構(gòu)拉響空間環(huán)境的警報后，許多部門的工作人員就要忙碌起來，像地面上抗擊臺風洪水一樣來采取措施了。

（大耀斑爆發(fā)瞬間，圖片來自SDO飛船兩個觀測儀器數(shù)據(jù)的合成）

以上這些，似乎離普通人的生活都很遠。

但耀斑和日冕物質(zhì)拋射帶來的絢爛的極光，卻是不少朋友向往的美景。

（拍攝者：Lauri Kangas  地點：加拿大安大略省Fort Frances  時間：9月8日 12:55）

極光什么時候發(fā)生？在什么地方才能看到極光？為什么身處我們國家很難有機會看到極光？

要了解這些問題，還要從極光產(chǎn)生的原理說起。

極光是如何產(chǎn)生的

（2013年10月1日，美國俄勒岡州上空的極光）

日冕物質(zhì)拋射（CME）會將大量的高速帶電粒子拋向地球。

由于我們的地球有著較強的地磁場，在地球上生活的人們不用擔心賴以生存的大氣層，會像火星大氣那樣被太陽風暴剝離。

然而，當CME襲擊地球時，仍然能有一些帶電粒子能夠穿透地球的“鎧甲”，進入地球磁場內(nèi)部。這是因為CME從太陽附近攜帶而來的磁場像一把“鑰匙”，可以通過與地磁場的磁力線連接，打開地球的“鎧甲”，將物質(zhì)和能量源源不斷地輸入到地磁場的內(nèi)部，觸發(fā)整個地磁場的劇烈變化。

（太陽風暴吹襲地球過程的示意圖，非實際觀測。）

來自太陽的帶電粒子進入到地球磁場，在經(jīng)歷一系列加速過程后，到達南極和北極的上空。

在那里，這些帶電粒子將和大氣中的氧、氮等元素的原子和分子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給大氣中的分子和原子，把他們激發(fā)到更高的能態(tài)。當這些高能態(tài)的原子和分子回歸低能態(tài)時，會以發(fā)光的方式釋放能量，就形成了絢爛的極光。

極光為什么有各種顏色

當原子躍遷跨越的能級不同時，極光的顏色也就會不同。

（拍攝者：Chris Cook  地點：美國馬薩諸塞州Cape Cod  時間：9月7日）

最常見的極光顏色是綠色，這種極光來自于氧原子在557.7納米波長的輻射。 而紅色、藍色的極光在太陽活動非常活躍時也可能出現(xiàn)。至于黃色和粉紅色的極光，則是紅色和綠色混合的結(jié)果。 

（2014年1月9日，一次CME吹襲地球在挪威上空引發(fā)的絢爛極光）

在哪里能看到極光

既然極光形成于南北極上空，來自CME對地磁場的影響，因此，影響你能否看到極光的因素也就有兩個：

離南北極是否足夠近，CME引發(fā)的地磁場活動是否足夠強。

然而，與極光觀測相關的南北極是地球磁場的南北極，它們和由地球自轉(zhuǎn)軸定義的地理南北極存在偏差。地磁的南極相對于地理的北極向加拿大一帶偏離，而地磁的南極也不與地理的北極重合。

與地理緯度類似，我們用磁緯度來衡量一個地區(qū)離南北磁極的遠近。磁緯度的數(shù)值一般和地理緯度不同，例如，中國的北京和美國的紐約都處在地理緯度的北緯40度附近，但紐約的磁緯約為50度，而北京的磁緯約為34度，在同樣的地磁活動下，紐約將比北京更容易觀測到極光。 

（全球磁緯度等值線，可見他們并不和地理緯度線平行）

像我們用蒲氏風級、里氏震級這些指標來描述狂風和地震強烈程度一樣，地磁活動強弱也有指數(shù)衡量。

在這些指數(shù)中，與極光聯(lián)系最緊密的是Kp指數(shù)。

Kp指數(shù)越大，意味著越強的太陽風暴在吹襲地球，產(chǎn)生極光的范圍就會向遠離地磁南北極的方向擴展，也就有越多的地區(qū)可以觀測到極光。

（美國空間天氣預報中心繪制的Kp指數(shù)與激光擴展范圍的關系圖。圖示區(qū)域為北美地區(qū)。）

（美國空間天氣預報中心繪制的Kp指數(shù)與激光擴展范圍的關系圖。圖示區(qū)域為歐亞地區(qū)。）

上面兩幅圖中標識了不同Kp指數(shù)時極光出現(xiàn)區(qū)域的范圍。

由圖中可知，Kp指數(shù)為5時，加拿大和北歐諸國上空就會出現(xiàn)極光；當Kp指數(shù)等于9時，美國一半的區(qū)域都將進入極光出現(xiàn)的范圍，而我國只有東北地區(qū)的一小部分進入了該范圍之內(nèi)。

Kp指數(shù)越大，出現(xiàn)的頻率就越低。據(jù)統(tǒng)計，Kp指數(shù)為5的出現(xiàn)概率為每11年900天，而Kp指數(shù)為9的出現(xiàn)頻率，每11年僅有4天。

這意味著，距離磁南北極越遠，看到極光的機會越少。

這里之所以以11年為一個統(tǒng)計周期，是因為太陽上的黑子數(shù)量以11年為周期變化，而日冕物質(zhì)拋射等太陽活動現(xiàn)象發(fā)生的頻率又與黑子數(shù)量緊密聯(lián)系。在黑子數(shù)較多的年份，Kp指數(shù)高的情況也就會更多地出現(xiàn)，也就有更多的機會欣賞到極光。

目前，我們正處在第23個太陽活動周的極小期，太陽本該十分平靜，像本次耀斑爆發(fā)這樣劇烈的活動是十分罕見的。

（美國空間天氣預報中心繪制的Kp指數(shù)與激光擴展范圍的關系圖及本次極光情況的預測。）

上圖中是美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）對本次耀斑伴隨的CME所引發(fā)的地磁和極光活動的預報，最可能觀測到極光的區(qū)域為黃線（Kp=7）以北的區(qū)域。美國北部的俄亥俄州和印第安納州將有可能獲得觀測極光的機會。

而下一次極光扎堆出現(xiàn)的“高潮”，應該在2023年—2026年之間。

在我國，最有希望觀測到極光的是黑龍江漠河，這里是我國磁緯最高的地方，也就是Kp指數(shù)與極光范圍關系圖中，紅線劃過我國領土的位置。

然而，根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T的統(tǒng)計，漠河在1956—2010年間，每年內(nèi)觀測到的極光的次數(shù)最高不超過15次，大部分年份都在5次以下。

把守在這里觀測極光似乎并不是一件明智的事情。如果想獲得比較好的觀測效果，北歐和加拿大似乎是更好的選擇。

極光觀看指南

雖然我們可以預測極光在哪一年出現(xiàn)得較多，但和天氣預報一樣，極光出現(xiàn)的準確情況只能提前幾天做出。在美國和歐洲的空間天氣預報機構(gòu)網(wǎng)站上，都有專門的Kp指數(shù)預報和極光觀測指南。你可以根據(jù)一段時間內(nèi)的Kp指數(shù)情況及預報，和極光區(qū)域與Kp指數(shù)間的關系，來策劃自己的極光之旅。

以下網(wǎng)站可以供您參考：

美國空間天氣預報中心極光區(qū)域預報：

http://www.swpc./products/aurora-30-minute-forecast

美國阿拉斯加大學的極光區(qū)域預報：

http://www.gi./AuroraForecast

一個極光愛好者維護的極光預報：

http://www./

（國際空間站上看極光）