极 光 与 “ 磁 层 亚 暴 ”

金 冈

　 　 ◆ 谨 以 此 文 纪 念 旅 美 中 国 空 间 物 理 学 家 山 林 华 博 士 ◆

　 　 你 见 过 极 光 吗 ？ 如 果 天 气 晴 朗 ， 午 夜 时 分 ， 靠 近 北 （ 南 ） 极 圈 地 区 的 上 空 会 出 现 若 隐 若 现 的 光 彩 条 纹 ， 忽 忽 幽 幽 地 从 东 西 两 方 相 对 飘 来 。 在 两 条 光 带 的 汇 合 处 ， 会 突 然 亮 了 起 来 。 灿 若 云 霞 ， 行 如 游 龙 ， 翻 卷 变 幻 ， 忽 隐 忽 现 。 然 后 以 翻 江 倒 海 之 势 向 北 （ 南 ） 极 方 向 滚 腾 而 去 。 大 约 持 续 十 几 分 钟 ， 将 极 地 上 空 照 得 明 如 白 昼 。 最 后 渐 渐 向 南 （ 北 ） 散 去 。

　 　 为 什 么 天 空 中 会 出 现 极 光 ？ 为 什 么 极 光 只 出 现 在 极 圈 附 近 ？ 为 什 么 极 光 的 “ 暴 发 ” 总 是 在 午 夜 时 分 ？ 这 光 怪 陆 离 的 神 秘 现 象 ， 常 常 引 起 人 们 神 奇 的 幻 想 与 不 倦 的 探 索 。

　 　 用 现 代 科 学 对 极 光 现 象 进 行 全 球 范 围 的 研 究 始 于 第 一 次 国 际 地 球 物 理 年 。 经 过 三 十 多 年 不 懈 的 努 力 ， 人 们 对 极 光 现 象 有 了 基 本 的 了 解 。 依 照 当 代 空 间 物 理 学 的 解 释 ， 极 光 是 一 种 物 理 学 上 称 为 “ 磁 层 亚 暴 ” 的 过 程 引 起 的 。 由 于 极 光 的 形 成 是 这 一 物 理 过 程 的 主 要 标 志 ， 也 有 人 称 之 为 “ 极 光 亚 暴 ” 。

　 　 我 们 知 道 指 南 针 可 以 指 示 方 向 。 这 是 因 为 地 球 本 身 具 有 磁 场 。 指 南 针 就 是 利 用 地 球 磁 场 的 南 北 方 向 性 来 判 明 方 向 。 这 一 磁 场 在 大 气 层 外 形 成 了 “ 地 球 磁 层 ” （ 简 称 “ 磁 层 ” ） ， 并 通 过 电 离 层 与 大 气 层 耦 合 在 一 起 。 可 别 小 看 了 磁 层 的 作 用 ， 正 是 它 挡 住 了 空 间 “ 吹 ” 来 的 “ 太 阳 风 ” 。

　 　 事 实 上 ， 所 谓 空 间 （ 港 台 称 作 “ 太 空 ” ） 并 不 真 “ 空 ” ， 而 是 充 满 了 一 种 叫 做 “ 等 离 子 体 ” 的 物 质 。 构 成 宇 宙 的 物 质 绝 大 多 数 是 处 于 等 离 子 体 状 态 。 这 种 状 态 下 的 物 质 ， 主 要 由 带 正 电 的 离 子 和 带 负 电 的 电 子 组 成 。 由 于 正 负 电 荷 的 总 数 相 等 ， 人 们 便 称 之 为 等 离 子 体 。 我 们 的 太 阳 及 大 多 数 可 见 的 恒 星 都 是 巨 大 的 等 离 子 体 火 球 。 它 们 通 过 内 部 的 氢 弹 爆 炸 般 的 热 核 反 应 ， 不 断 向 外 层 空 间 释 放 等 离 子 体 。 过 去 物 理 学 家 一 直 认 为 这 种 释 放 过 程 主 要 通 过 日 耀 斑 的 形 成 来 进 行 。 1994年 ， 一 位 美 国 物 理 学 家 对 此 提 出 挑 战 。 这 就 是 所 谓 “ 日 耀 斑 之 谜 ” 。 不 过 那 是 题 外 的 话 了 。 总 之 ， 等 离 子 体 总 是 不 断 地 释 放 出 来 ， 不 断 地 向 外 扩 散 。

　 　 理 想 的 等 离 子 体 有 一 个 特 殊 的 性 质 ， 叫 做 “ 冻 结 效 应 ” 。 也 就 是 说 ， 如 果 存 在 磁 场 的 话 ， 等 离 子 体 将 被 “ 冻 结 ” 在 用 来 表 示 磁 场 强 度 与 方 向 的 磁 力 线 上 ， 并 顺 着 磁 力 线 运 动 。 形 象 地 说 ， 这 种 被 “ 磁 化 ” 了 的 等 离 子 体 就 象 一 条 条 的 棒 冰 ， 磁 力 线 好 比 中 间 的 棍 儿 ， 等 离 子 体 如 同 上 面 的 冰 。 太 阳 释 放 出 来 的 等 离 子 体 ， 带 着 太 阳 外 层 （ 日 冕 层 ） 磁 场 ， 以 每 小 时 上 千 公 里 的 速 度 向 外 “ 吹 ” 去 ， 因 此 被 称 为 “ 太 阳 风 ” 。 这 种 风 刮 起 来 虽 说 不 是 “ 飞 沙 走 石 ” ， 但 因 携 带 着 高 能 量 的 带 电 粒 子 和 磁 场 ， 可 称 得 上 是 “ 飞 电 走 磁 ” ， 有 时 会 比 真 正 的 风 暴 还 要 厉 害 得 多 。 幸 运 的 是 ， 地 球 的 磁 场 保 护 了 我 们 。 “ 吹 ” 向 地 球 的 “ 太 阳 风 ” 仅 仅 将 地 球 磁 层 的 “ 迎 风 面 ” （ 朝 着 太 阳 的 一 边 ， 即 白 昼 一 侧 ） “ 吹 ” 扁 ， 然 后 绕 过 磁 层 而 去 ， 把 磁 层 的 “ 背 风 面 ” （ 夜 晚 一 侧 ） 拖 成 一 个 长 长 的 “ 磁 尾 ” ， 从 黎 明 或 黄 昏 一 侧 看 去 ， 活 象 一 只 巨 大 无 比 的 “ 蝌 蚪 ” 。 在 “ 磁 尾 ” 的 赤 道 面 上 ， 会 形 成 一 个 薄 薄 的 横 跨 磁 尾 的 电 流 层 ， 简 称 “ 跨 尾 电 流 片 "。

　 　 但 是 ， 当 “ 太 阳 风 ” 磁 场 的 方 向 与 地 球 磁 层 “ 迎 风 面 ” 的 磁 场 方 向 相 反 时 ， 部 分 “ 太 阳 风 ” 的 粒 子 和 能 量 会 通 过 一 种 叫 做 “ 磁 重 联 ” 的 过 程 进 入 地 球 磁 层 “ 兴 风 作 浪 ” 。 由 此 引 起 的 “ 大 风 浪 ” 称 作 “ 磁 层 风 暴 ” ， 小 一 点 的 “ 风 浪 ” 就 是 我 们 这 里 说 的 “ 磁 层 亚 风 暴 ” （ 简 称 “ 磁 层 亚 暴 ” 或 “ 极 光 亚 暴 ” ） 。 物 理 学 家 们 发 现 ， 这 种 太 阳 风 与 地 球 磁 层 之 间 相 互 作 用 的 增 强 ， 会 将 地 球 的 磁 尾 越 拉 越 长 ， 导 致 “ 跨 尾 电 流 片 ” 越 拉 越 薄 ， 最 后 会 在 同 步 轨 道 附 近 （ 距 地 球 大 约 八 至 十 个 地 球 半 径 远 的 位 置 ） 将 “ 跨 尾 电 流 片 ” 拉 断 。 断 掉 的 电 流 “ 走 投 无 路 ” ， 只 好 沿 着 磁 力 线 向 北 （ 南 ） 磁 极 流 去 ， 然 后 在 极 区 形 成 一 段 长 弧 ， 再 沿 着 另 一 条 磁 力 线 流 回 磁 尾 的 赤 道 面 ， 形 成 一 个 新 的 电 流 回 路 。 当 这 个 电 流 经 过 磁 层 与 电 离 层 交 界 处 ， 会 受 到 那 里 的 强 度 达 上 千 伏 的 Ｖ 型 电 场 的 加 速 ， 从 而 产 生 绚 烂 多 彩 的 辉 光 ， 即 我 们 肉 眼 看 到 的 极 光 。 那 段 经 过 极 区 的 长 弧 ， 就 是 人 们 常 说 的 “ 极 光 弧 ” 。 由 于 “ 跨 尾 电 流 片 ” 总 是 在 中 部 断 开 ， 正 好 对 应 地 球 上 的 午 夜 的 位 置 ， 所 以 人 们 无 论 在 何 处 ， 总 是 在 午 夜 前 后 看 到 极 光 。 又 由 于 “ 跨 尾 电 流 片 ” 总 是 在 同 步 轨 道 附 近 断 开 ， 对 应 的 磁 力 线 连 接 到 大 约 北 （ 南 ） 纬 ６ ８ 度 ， 即 北 （ 南 ） 极 圈 附 近 ， 所 以 极 光 总 是 出 现 在 极 地 上 空 。

　 　 对 极 光 现 象 的 上 述 解 释 虽 然 回 答 了 我 们 在 文 章 开 始 提 出 的 三 个 问 题 ， 但 是 又 引 发 了 许 多 的 新 问 题 ： 为 什 么 “ 跨 尾 电 流 片 ” 总 是 在 同 步 轨 道 附 近 断 开 ？ 引 起 “ 跨 尾 电 流 片 ” 断 裂 的 直 接 原 因 是 什 么 ？ 为 什 么 磁 层 亚 暴 发 生 时 ， 磁 层 与 电 离 层 交 界 处 会 形 成 强 度 达 上 千 伏 的 Ｖ 型 电 场 ？ 这 些 问 题 仍 在 困 扰 着 空 间 物 理 学 家 们 。 他 们 提 出 种 种 假 说 、 模 型 来 试 图 解 释 。 其 中 最 引 人 注 意 的 有 四 个 ： 近 地 中 性 线 模 型 ， 跨 尾 电 流 片 断 裂 模 型 ， 磁 层 与 电 离 层 耦 合 模 型 ， 及 太 阳 风 驱 动 模 型 。 其 中 被 广 泛 接 受 的 电 流 片 断 裂 模 型 是 由 来 自 香 港 的 美 国 物 理 学 家 吕 达 贤 建 议 的 。 侧 重 于 电 离 层 现 象 的 磁 层 与 电 离 层 耦 合 模 型 是 由 来 自 台 湾 的 美 国 物 理 学 家 甘 如 石 提 出 的 。 曾 因 与 观 测 数 据 吻 合 率 在 百 分 之 九 十 以 上 而 轰 动 空 间 物 理 学 界 的 太 阳 风 驱 动 模 型 则 是 来 自 中 国 大 陆 的 年 轻 物 理 学 家 山 林 华 博 士 及 其 两 位 美 国 同 行 共 同 努 力 的 结 果 。 来 自 两 岸 三 地 的 华 裔 物 理 学 家 的 上 述 贡 献 ， 是 值 得 我 们 每 个 炎 黄 子 孙 自 豪 的 。

　 　 解 答 这 些 新 的 为 什 么 ， 可 能 还 要 物 理 学 家 几 年 甚 至 几 十 年 的 努 力 。 科 学 总 是 这 样 。 旧 的 问 题 解 答 了 ， 又 会 产 生 新 的 问 题 。 人 们 就 是 在 不 断 探 索 的 过 程 中 认 识 周 围 的 世 界 。