極 光 與 “ 磁 層 亞 暴 ”

金 岡

　 　 ◆ 謹 以 此 文 紀 念 旅 美 中 國 空 間 物 理 學 家 山 林 華 博 士 ◆

　 　 你 見 過 極 光 嗎 ？ 如 果 天 氣 晴 朗 ， 午 夜 時 分 ， 靠 近 北 （ 南 ） 極 圈 地 區 的 上 空 會 出 現 若 隱 若 現 的 光 彩 條 紋 ， 忽 忽 幽 幽 地 從 東 西 兩 方 相 對 飄 來 。 在 兩 條 光 帶 的 匯 合 處 ， 會 突 然 亮 了 起 來 。 燦 若 云 霞 ， 行 如 游 龍 ， 翻 卷 變 幻 ， 忽 隱 忽 現 。 然 后 以 翻 江 倒 海 之 勢 向 北 （ 南 ） 極 方 向 滾 騰 而 去 。 大 約 持 續 十 几 分 鐘 ， 將 極 地 上 空 照 得 明 如 白 晝 。 最 后 漸 漸 向 南 （ 北 ） 散 去 。

　 　 為 什 么 天 空 中 會 出 現 極 光 ？ 為 什 么 極 光 只 出 現 在 極 圈 附 近 ？ 為 什 么 極 光 的 “ 暴 發 ” 總 是 在 午 夜 時 分 ？ 這 光 怪 陸 離 的 神 秘 現 象 ， 常 常 引 起 人 們 神 奇 的 幻 想 與 不 倦 的 探 索 。

　 　 用 現 代 科 學 對 極 光 現 象 進 行 全 球 范 圍 的 研 究 始 于 第 一 次 國 際 地 球 物 理 年 。 經 過 三 十 多 年 不 懈 的 努 力 ， 人 們 對 極 光 現 象 有 了 基 本 的 了 解 。 依 照 當 代 空 間 物 理 學 的 解 釋 ， 極 光 是 一 種 物 理 學 上 稱 為 “ 磁 層 亞 暴 ” 的 過 程 引 起 的 。 由 于 極 光 的 形 成 是 這 一 物 理 過 程 的 主 要 標 志 ， 也 有 人 稱 之 為 “ 極 光 亞 暴 ” 。

　 　 我 們 知 道 指 南 針 可 以 指 示 方 向 。 這 是 因 為 地 球 本 身 具 有 磁 場 。 指 南 針 就 是 利 用 地 球 磁 場 的 南 北 方 向 性 來 判 明 方 向 。 這 一 磁 場 在 大 氣 層 外 形 成 了 “ 地 球 磁 層 ” （ 簡 稱 “ 磁 層 ” ） ， 并 通 過 電 離 層 與 大 氣 層 耦 合 在 一 起 。 可 別 小 看 了 磁 層 的 作 用 ， 正 是 它 擋 住 了 空 間 “ 吹 ” 來 的 “ 太 陽 風 ” 。

　 　 事 實 上 ， 所 謂 空 間 （ 港 臺 稱 作 “ 太 空 ” ） 并 不 真 “ 空 ” ， 而 是 充 滿 了 一 種 叫 做 “ 等 離 子 體 ” 的 物 質 。 構 成 宇 宙 的 物 質 絕 大 多 數 是 處 于 等 離 子 體 狀 態 。 這 種 狀 態 下 的 物 質 ， 主 要 由 帶 正 電 的 離 子 和 帶 負 電 的 電 子 組 成 。 由 于 正 負 電 荷 的 總 數 相 等 ， 人 們 便 稱 之 為 等 離 子 體 。 我 們 的 太 陽 及 大 多 數 可 見 的 恆 星 都 是 巨 大 的 等 離 子 體 火 球 。 它 們 通 過 內 部 的 氫 彈 爆 炸 般 的 熱 核 反 應 ， 不 斷 向 外 層 空 間 釋 放 等 離 子 體 。 過 去 物 理 學 家 一 直 認 為 這 種 釋 放 過 程 主 要 通 過 日 耀 斑 的 形 成 來 進 行 。 1994年 ， 一 位 美 國 物 理 學 家 對 此 提 出 挑 戰 。 這 就 是 所 謂 “ 日 耀 斑 之 謎 ” 。 不 過 那 是 題 外 的 話 了 。 總 之 ， 等 離 子 體 總 是 不 斷 地 釋 放 出 來 ， 不 斷 地 向 外 擴 散 。

　 　 理 想 的 等 離 子 體 有 一 個 特 殊 的 性 質 ， 叫 做 “ 凍 結 效 應 ” 。 也 就 是 說 ， 如 果 存 在 磁 場 的 話 ， 等 離 子 體 將 被 “ 凍 結 ” 在 用 來 表 示 磁 場 強 度 與 方 向 的 磁 力 線 上 ， 并 順 著 磁 力 線 運 動 。 形 象 地 說 ， 這 種 被 “ 磁 化 ” 了 的 等 離 子 體 就 象 一 條 條 的 棒 冰 ， 磁 力 線 好 比 中 間 的 棍 兒 ， 等 離 子 體 如 同 上 面 的 冰 。 太 陽 釋 放 出 來 的 等 離 子 體 ， 帶 著 太 陽 外 層 （ 日 冕 層 ） 磁 場 ， 以 每 小 時 上 千 公 里 的 速 度 向 外 “ 吹 ” 去 ， 因 此 被 稱 為 “ 太 陽 風 ” 。 這 種 風 刮 起 來 雖 說 不 是 “ 飛 沙 走 石 ” ， 但 因 攜 帶 著 高 能 量 的 帶 電 粒 子 和 磁 場 ， 可 稱 得 上 是 “ 飛 電 走 磁 ” ， 有 時 會 比 真 正 的 風 暴 還 要 厲 害 得 多 。 幸 運 的 是 ， 地 球 的 磁 場 保 護 了 我 們 。 “ 吹 ” 向 地 球 的 “ 太 陽 風 ” 僅 僅 將 地 球 磁 層 的 “ 迎 風 面 ” （ 朝 著 太 陽 的 一 邊 ， 即 白 晝 一 側 ） “ 吹 ” 扁 ， 然 后 繞 過 磁 層 而 去 ， 把 磁 層 的 “ 背 風 面 ” （ 夜 晚 一 側 ） 拖 成 一 個 長 長 的 “ 磁 尾 ” ， 從 黎 明 或 黃 昏 一 側 看 去 ， 活 象 一 只 巨 大 無 比 的 “ 蝌 蚪 ” 。 在 “ 磁 尾 ” 的 赤 道 面 上 ， 會 形 成 一 個 薄 薄 的 橫 跨 磁 尾 的 電 流 層 ， 簡 稱 “ 跨 尾 電 流 片 "。

　 　 但 是 ， 當 “ 太 陽 風 ” 磁 場 的 方 向 與 地 球 磁 層 “ 迎 風 面 ” 的 磁 場 方 向 相 反 時 ， 部 分 “ 太 陽 風 ” 的 粒 子 和 能 量 會 通 過 一 種 叫 做 “ 磁 重 聯 ” 的 過 程 進 入 地 球 磁 層 “ 興 風 作 浪 ” 。 由 此 引 起 的 “ 大 風 浪 ” 稱 作 “ 磁 層 風 暴 ” ， 小 一 點 的 “ 風 浪 ” 就 是 我 們 這 里 說 的 “ 磁 層 亞 風 暴 ” （ 簡 稱 “ 磁 層 亞 暴 ” 或 “ 極 光 亞 暴 ” ） 。 物 理 學 家 們 發 現 ， 這 種 太 陽 風 與 地 球 磁 層 之 間 相 互 作 用 的 增 強 ， 會 將 地 球 的 磁 尾 越 拉 越 長 ， 導 致 “ 跨 尾 電 流 片 ” 越 拉 越 薄 ， 最 后 會 在 同 步 軌 道 附 近 （ 距 地 球 大 約 八 至 十 個 地 球 半 徑 遠 的 位 置 ） 將 “ 跨 尾 電 流 片 ” 拉 斷 。 斷 掉 的 電 流 “ 走 投 無 路 ” ， 只 好 沿 著 磁 力 線 向 北 （ 南 ） 磁 極 流 去 ， 然 后 在 極 區 形 成 一 段 長 弧 ， 再 沿 著 另 一 條 磁 力 線 流 回 磁 尾 的 赤 道 面 ， 形 成 一 個 新 的 電 流 回 路 。 當 這 個 電 流 經 過 磁 層 與 電 離 層 交 界 處 ， 會 受 到 那 里 的 強 度 達 上 千 伏 的 Ｖ 型 電 場 的 加 速 ， 從 而 產 生 絢 爛 多 彩 的 輝 光 ， 即 我 們 肉 眼 看 到 的 極 光 。 那 段 經 過 極 區 的 長 弧 ， 就 是 人 們 常 說 的 “ 極 光 弧 ” 。 由 于 “ 跨 尾 電 流 片 ” 總 是 在 中 部 斷 開 ， 正 好 對 應 地 球 上 的 午 夜 的 位 置 ， 所 以 人 們 無 論 在 何 處 ， 總 是 在 午 夜 前 后 看 到 極 光 。 又 由 于 “ 跨 尾 電 流 片 ” 總 是 在 同 步 軌 道 附 近 斷 開 ， 對 應 的 磁 力 線 連 接 到 大 約 北 （ 南 ） 緯 ６ ８ 度 ， 即 北 （ 南 ） 極 圈 附 近 ， 所 以 極 光 總 是 出 現 在 極 地 上 空 。

　 　 對 極 光 現 象 的 上 述 解 釋 雖 然 回 答 了 我 們 在 文 章 開 始 提 出 的 三 個 問 題 ， 但 是 又 引 發 了 許 多 的 新 問 題 ： 為 什 么 “ 跨 尾 電 流 片 ” 總 是 在 同 步 軌 道 附 近 斷 開 ？ 引 起 “ 跨 尾 電 流 片 ” 斷 裂 的 直 接 原 因 是 什 么 ？ 為 什 么 磁 層 亞 暴 發 生 時 ， 磁 層 與 電 離 層 交 界 處 會 形 成 強 度 達 上 千 伏 的 Ｖ 型 電 場 ？ 這 些 問 題 仍 在 困 擾 著 空 間 物 理 學 家 們 。 他 們 提 出 種 種 假 說 、 模 型 來 試 圖 解 釋 。 其 中 最 引 人 注 意 的 有 四 個 ： 近 地 中 性 線 模 型 ， 跨 尾 電 流 片 斷 裂 模 型 ， 磁 層 與 電 離 層 耦 合 模 型 ， 及 太 陽 風 驅 動 模 型 。 其 中 被 廣 泛 接 受 的 電 流 片 斷 裂 模 型 是 由 來 自 香 港 的 美 國 物 理 學 家 呂 達 賢 建 議 的 。 側 重 于 電 離 層 現 象 的 磁 層 與 電 離 層 耦 合 模 型 是 由 來 自 臺 灣 的 美 國 物 理 學 家 甘 如 石 提 出 的 。 曾 因 與 觀 測 數 據 吻 合 率 在 百 分 之 九 十 以 上 而 轟 動 空 間 物 理 學 界 的 太 陽 風 驅 動 模 型 則 是 來 自 中 國 大 陸 的 年 輕 物 理 學 家 山 林 華 博 士 及 其 兩 位 美 國 同 行 共 同 努 力 的 結 果 。 來 自 兩 岸 三 地 的 華 裔 物 理 學 家 的 上 述 貢 獻 ， 是 值 得 我 們 每 個 炎 黃 子 孫 自 豪 的 。

　 　 解 答 這 些 新 的 為 什 么 ， 可 能 還 要 物 理 學 家 几 年 甚 至 几 十 年 的 努 力 。 科 學 總 是 這 樣 。 舊 的 問 題 解 答 了 ， 又 會 產 生 新 的 問 題 。 人 們 就 是 在 不 斷 探 索 的 過 程 中 認 識 周 圍 的 世 界 。