太陽風暴來襲 － 極光：物質、場、光的嘉年華                                                                                            /吳致盛教授   
美麗的極光最近開始大量出現在社群媒體與通訊軟體，也許最近你也曾收到親友分享極光照片－像在黑夜天空舞動柔和絲帶。以往以為只有在高緯度才能看到的極光，今年5月10日起也出現在許多中低緯度地區，與台灣相近緯度的墨西哥也觀測到極光的出現。此次在各地大量出現極光與2024年5月太陽風暴有關，它造成1989年以來最強的地磁擾動。極光(aurora)又稱為歐若拉，在我大學時由歌手張韶涵所演唱的歌曲，其歌名即是歐若拉，歌詞寫著「魔力北極光，奇幻的預言，趕快去找不思議的愛」。那麼極光只存在北極嗎? 在哪些地方可以看到極光呢? 極光有那些顏色?天空為何會發光呢? 答案竟然與電磁學、量子力學、材料光學、地球科學等有關，就讓我來一揭其奧妙。

墨西哥馬薩特蘭(北緯23度)紫紅色極光                   
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太陽風與帶電粒子

在太陽的外層(日冕層)，不同原子因高溫而電離成帶帶電粒子且擁有極高速度，得以脫離太陽引力向外射出形成太陽風。太陽風主要由電子、質子和 α 粒子所組成電漿，以極快的速度(250–750 km/s)飛往地球。當太陽表面活動活躍時，可產生更多的太陽風造成太陽風暴 (solar storms)， 其帶來的巨量帶電粒子到達地球，可以擾動地球磁場，改變磁力線分布，這稱為地磁風暴。今年5月的強大太陽風造成地磁風暴就是這一場在世界多地極光嘉年華的原因。

原子躍遷與發光

根據量子力學，原子有不連續的能階，電子在由高能階回到低能階可放出光子(光子能量等於能階差)。太陽風的高速電子撞擊大氣原子，使得原子裡的電子躍遷到高能階，待在高能階的電子因為自發輻射放出光子，這就是極光的成因，原來極光的原理與陰極射線、霓虹燈管一樣!極光的顏色主要有綠、紅、藍、紫等。綠色極光由氧原子產生，發生高度在地表100至200公里，紅色極光也由氧原子發出，高度在地表兩百公里以上。藍色與紫色則由氮分子在80至120公里高出發出。

地球是個磁鐵

地球磁場                                                                                     
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地球是一個磁鐵。科學家們並不完全理解其中的原因，但他們認為地球外核中熔融金屬的運動產生了電流，這些電流創造了一個磁場，地磁極並不等同於地理北極和南極。如圖所示，地理南北極由地球自轉軸定義，而地磁極由磁力線定義，磁北極(圖中Nm) 實際上為地球磁鐵的南極，磁北極與地理北極相距可達數百公里! 磁力線一層層圍繞著地球，這些磁力線進入地表的位置與極光出現處有很大關係。

太陽風與地球附近磁力線                                                                                              
NASA, Public domain, via Wikimedia Commons

磁力線導引

帶電粒子在磁場中會順著磁力線前進，為什麼呢?垂直磁力線的平面，帶電粒子進行圓周運動(cyclotron  motion)，而平行磁場方向則為等速運動。所以磁力線進入地表位置，基本上就是極光發生位置。觀察地磁磁力線分布(基本上就是磁偶極磁場分布)，越外層磁力線會在磁北極或南極進入地表，越內層的磁力線將在較低緯度進入地表。當太陽風正常大小時，帶電粒子無法進入內層磁力線，只能被外層磁力線導引到高緯度地區，這就是為何平時只能在高緯度看到極光的原因。當太陽風暴時，大量帶電粒子擾動磁力線得以進入較內層磁力線，從而被導引到低緯度的天空產生極光。
相信大家對於極光的原理有更深刻的理解，將來你在某地看極光，找尋不思議的愛時，可以更欣賞大自然的美！