極光的科學
By Minnie Soo 蘇慧音
不少人的願望清單裡大概都有一項是觀賞極光 ─ 大自然的光影表演。那艷麗的幻彩令許多人為之著迷，當中紅、綠色兩種色調在空中搖曳，宛如河流般優雅地流淌。這種壯麗的自然現象尤其受我們這些居住在遠離兩極的人所珍視，但你有沒有想過為甚麼極光主要在極地出現？極光背後的科學原理又是甚麼呢？讓我們從對極光的詩意幻想中抽離，你會發現極光的形成過程並不如想像中婉約，美麗背後竟隱藏著一連串高能量的猛烈反應！
太陽磁場和太陽風
太陽和大多數恆星都是炙熱火紅的等離子球。等離子體是物質的第四種狀態，類似於氣體，但當中大部分粒子都已經離子化，並以極高速移動 [1]。由於太陽溫度極高，所以當中一些粒子擁有足夠的動能逃離太陽引力 [2]，這些從太陽表面噴發出的帶電離子和電子形成了太陽風。
這些高速流動的帶電粒子顧名思義就是電流，它們構成了太陽強力而混亂的磁場（註一）。太陽風使太陽系被太陽圈磁場（heliospheric magnetic field，又稱為行星際磁場，即interplanetary magnetic field）覆蓋 [3]，正如假想的磁場線所示，有些磁場線在太陽內形成閉合的迴圈，有些則延伸到太陽系的遠處（圖一）[4]。
不少人的願望清單裡大概都有一項是觀賞極光 ─ 大自然的光影表演。那艷麗的幻彩令許多人為之著迷，當中紅、綠色兩種色調在空中搖曳，宛如河流般優雅地流淌。這種壯麗的自然現象尤其受我們這些居住在遠離兩極的人所珍視，但你有沒有想過為甚麼極光主要在極地出現？極光背後的科學原理又是甚麼呢？讓我們從對極光的詩意幻想中抽離，你會發現極光的形成過程並不如想像中婉約，美麗背後竟隱藏著一連串高能量的猛烈反應！
太陽磁場和太陽風
太陽和大多數恆星都是炙熱火紅的等離子球。等離子體是物質的第四種狀態，類似於氣體，但當中大部分粒子都已經離子化，並以極高速移動 [1]。由於太陽溫度極高，所以當中一些粒子擁有足夠的動能逃離太陽引力 [2]，這些從太陽表面噴發出的帶電離子和電子形成了太陽風。
這些高速流動的帶電粒子顧名思義就是電流，它們構成了太陽強力而混亂的磁場（註一）。太陽風使太陽系被太陽圈磁場（heliospheric magnetic field，又稱為行星際磁場，即interplanetary magnetic field）覆蓋 [3]，正如假想的磁場線所示，有些磁場線在太陽內形成閉合的迴圈，有些則延伸到太陽系的遠處（圖一）[4]。
圖一 太陽磁場。白色是「閉合」的磁場線；而洋紅色和綠色則是各具相反磁極的「開放」磁場線，它們延伸到太陽系的遠處 [4]。
相片來源：NASA's Scientific Visualization Studio
地球原本擁有環狀（toroidal，即甜甜圈狀）的磁場，可是在太陽風的猛烈轟擊下，令面對太陽一方的磁場線受到擠壓，而另一側的磁場線則被拉長成尾狀（圖二）[3]。這種動態的拉鋸讓地球的整體磁場呈彗星狀的外觀。當太陽風抵達地球時，地球磁場會使帶電粒子轉向，保護我們免受這些有害粒子的侵襲 [3]。
圖二 地球磁場（藍線）使太陽風（綠黃）偏轉的示意圖。地球磁場的晝側（面對太陽的一側）被壓縮，而夜側被拉長成尾狀 [5]。
相片來源：NASA
磁重聯
當太陽磁場與地球磁場重疊並互相影響時，兩者的磁場線能以不同方式排列 [6]。試想像當用力將兩塊磁極相同的磁鐵推向對方，相反方向的磁場線互相接近時會發生甚麼事呢？
基於澳洲物理學家Ronald Giovanelli於1946年提出的「磁重聯」概念，科學家發現方向不一致的磁場能導致磁場線斷裂後以全新的方式連接 [7, 8]。
在磁重聯發生之前，當帶著太陽磁場的太陽風接近地球時，我們星球的磁場會被扭曲，就像拉長的橡皮筋儲存彈性勢能一樣累積磁能。當兩個磁場靠得太近最終觸發磁重聯時，原來的磁場線會斷裂並以全新方式重新連接。就像突然鬆開拉長了的橡皮筋一樣，磁場會釋放巨大的能量，使等離子粒子加速至極高速度。
在磁力影響下，等離子粒子會沿磁場線以螺旋運動的方式向兩極移動，並從兩極反射回來。因此它們會在兩極間穿梭，困在被稱為Van Allen輻射帶（Van Allen Radiation Belts）的區域 [3, 9–11]。兩極正是地球甜甜圈狀磁場兩個洞的所在位置，稱為極尖，帶電粒子循著這個漏斗形通道被引導向下（圖三）[12]。雖然大部分粒子都會在兩極被反射回去，但有些高能量粒子會透過極尖從磁場漏走，並與地球上層大氣中的分子產生作用 [9]。
圖三 地球的甜甜圈狀磁場與南北極尖，等離子粒子會在極尖的漏斗形通道中被引導向下 [13]。
相片來源：Andøya Space Center/Trond Abrahamsen
電子躍遷與極光顏色
抵達兩極的等離子粒子可以與地球大氣層中第二高的熱成層裡的氣體粒子發生作用 [3, 14]。熱成層的底部主要由分子氮（N2）和分子氧（O2）組成，而頂部則主要為單原子氧（O）。氮和氧對於極光的形成至關重要 [3, 15]。
在探討極光原理前，我們必須記住原子中的電子就像樓梯一樣具有分立的能級。你可以走上整數的梯級，例如1、2或5級，但您無法走上2.3級或任何整數之間具小數點的梯級。電子只能透過獲取某些固定值的能量，而被激發並躍遷到特定能級（或釋放某些固定值的能量而回到較低能級），而不能停留於介乎兩個能級之間的位置。每個原子都有自己一套獨特的能級，就像我們每個人的指紋一樣都是獨一無二的。
等離子粒子與氣體粒子碰撞時會激發原子內的電子。當電子稍後回到較低能級時，它會以光的形式釋放能量，而光的波長由釋放的能量所決定。釋放的能量E與光的波長λ之間的關係可以用方程 
表示 ，當中h是普朗克常數（6.63 × 10-34 J s），c則代表光速（3.00 × 108 m s-1）。由此可以得知釋放的能量與波長成反比，而波長決定了我們所感知到光的顏色。
原子氧（O）可以發出波長分別為558 nm和630 nm的綠光和紅光 [3, 16]。另一方面，分子氮（N2）可發出多個波長的藍光和紅光，它們在較低的海拔高度會形成洋紅色調 [3, 17]。現在你能明白分立能級所帶來的結果：產生的極光顏色並不是一個連續而具有所有顏色的光譜，因此只存在特定顏色的極光。正是這個原理產生令人著迷的北極光（aurora borealis）和南極光（aurora australis）。
1 編按：根據安培定律，電流會感生與其強度成正比的磁場
參考資料
[1] Turgeon, A., & Morse, E. (2024, February 3). Sun. National Geographic Education. https://education.nationalgeographic.org/resource/sun/
[2] NASA Science. (2024). Heliophysics Big Idea 3.1. https://science.nasa.gov/learn/heat/big-ideas/big-idea-3-1/
[3] Petersen, L. (2020, September 27). What Causes the Aurora. https://www.lwpetersen.com/science-and-nature/what-causes-the-aurora/
[4] Fox, K. (2018, April 30). The Dynamic Solar Magnetic Field with Introduction. NASA's Scientific Visualization Studio. https://svs.gsfc.nasa.gov/4623/
[5] NASA. (2007, October 22). The Sun-Earth connection. The European Space Agency. https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2007/10/The_Sun-Earth_connection
[6] Frey, H. U., Han, D., Kataoka, R., Lessard, M. R., Milan, S. E., Nishimura, Y., Strangeway, R. J., & Zou, Y. (2019). Dayside Aurora. Space Science Reviews, 215. https://doi.org/10.1007/s11214-019-0617-7
[7] Day, C. (2001). Spacecraft Probes the Site of Magnetic Reconnection in Earth’s Magnetotail. Physics Today, 54(10), 16–17. https://doi.org/10.1063/1.1420541
[8] Burch, J. L., & Drake, J. F. (2009). Reconnecting Magnetic Fields. American Scientist, 97(5), 392. https://www.americanscientist.org/article/reconnecting-magnetic-fields
[9] Benesch, T. (2013, January 25). Earth’s Magnetosphere. NASA. https://www.nasa.gov/image-article/earths-magnetosphere-4/
[10] Bussio, A. (2020, May 15). Variations of particle motion in the Van Allen Belts. Journal of Research in Progress, 3. https://pressbooks.howardcc.edu/jrip3/chapter/variations-of-particle-motion-in-the-van-allen-belts/
[11] Hutchinson, I. H. (2022). Introduction to Plasma Physics. http://silas.psfc.mit.edu/introplasma/
[12] Evans, J., & Hatfield, M. (2018, November 14). Science on the Cusp: Sounding Rockets Head North. NASA. https://www.nasa.gov/solar-system/science-on-the-cusp-sounding-rockets-head-north/#hds-sidebar-nav-1
[13] NASA's Goddard Space Flight Center. (2018, September 24). Grand Challenge-Cusp Graphics. NASA Scientific Visualization Studio. https://svs.gsfc.nasa.gov/13076/
[14] The UCAR Center for Science Education. (n.d.). Auroras: The Northern and Southern Lights. https://scied.ucar.edu/learning-zone/sun-space-weather/aurora
[15] Canadian Space Agency. (2022, September 27). The colours of the northern lights. https://www.asc-csa.gc.ca/eng/astronomy/northern-lights/colours-of-northern-lights.asp
[16] National Oceanic and Atmospheric Administration. (2013, April 17). Aurora. https://sos.noaa.gov/catalog/datasets/aurora/
[17] Schmidt, T. (2024, May 14). What causes the different colours of the aurora? An expert explains the electric rainbow. UNSW Newsroom. https://www.unsw.edu.au/newsroom/news/2024/05/what-causes-the-different-colours-of-the-aurora-an-expert-explains-the-electric-rainbow