绚丽极光背后的奥秘----中国科学院

近日，我国多地出现极光现象。继11月5日新疆等地观测到红色极光后，12月1日，漠河和佳木斯等地再次观测到红色极光，甚至连北京怀柔也有摄影爱好者拍到了红白双色的极光，引发网友热议。
极光的背后
$ y+ ~+ J' f) {2 v极光的出现与太阳活动密不可分，本次上热搜的极光也是如此。美国空间天气预报中心于12月1日晚观测到G3级地磁暴，主要由一次M9.9（R2中度）耀斑相关的日冕物质抛射（CME）引起。地磁暴偏向东半球，最强中心位于西伯利亚上空，因此在我国高纬度地区可以观测到极光现象。
地磁暴从G1到G5，由弱到强分为5级。这次的G3级地磁暴是一次中等偏强级别的地磁暴，这样的地磁暴每年大概出现几十天。而太阳耀斑由弱到强也分为5级——R1到R5，引发此次地磁暴的耀斑是中等强度耀斑。
3 _7 f, u1 x% m% a) Z在地球磁场作用下，来自太阳的高能带电粒子会涌向高纬度地区，使地球南北两极附近的高层大气分子或原子电离，从而激发出光，在夜间尤其灿烂夺目，这就是极光现象。
太阳风暴虽然会影响无线电通信和导航系统，但其带来的绚烂极光对人们来说无疑是美好的意外收获。美国阿拉斯加的费尔班克斯，因为一年中200多天会出现极光现象，被称为“北极光首都”。而冰岛由于整个国家都在极光带上，成为北半球最受欢迎的极光观测地点之一。
1 g3 t( o5 a: I) n( y1 d$ I6 F: K极光变幻莫测，每天都不一样。一般极光在入夜之后会像一条展开的颜色较淡的银河，随着夜色加深，色彩逐渐变浓、变绿，还会出现粉色、蓝紫色和红色。
  z4 u' X/ v! s极光的颜色通常与大气粒子的种类有关。太阳风的高能粒子激发高层（200千米至500千米）的氧原子一般会发红光，激发氮原子一般发蓝到紫光，而到达低层（100千米至200千米）的太阳风粒子激发氧原子主要发绿光。因为人眼对绿光和白光更为敏感，所以我们看到的极光主要是绿白色的。
另外，我们看到极光变来变去，并不是高层大气在运动，而是因为飞入地球大气的带电粒子本身在运动和变化。
& o* W5 W8 Z* ^1 x( g# J7 {在北京也能看到极光
9 k% O4 D0 ^/ z' q5 f6 u  t2 b尽管极光主要出现在高纬度地区，但是中低纬度地区也会出现极光，只是频率比较低。其实，通常情况下，北京所在的北纬40度左右地区，每年可能会有几天到几十天能观测到极光。
! q5 O; N% y' D8 k. y- R不过，这只是一个大致的估计，具体数字可能会因地理位置、气候条件和太阳活动的变化而有所不同。
有时极光甚至会在赤道附近的低纬度地区出现，这种现象被称为“极光暴”。这种情况虽然较为罕见，但一些赤道附近的国家和地区确实曾记录到这种现象。这通常发生在太阳活动特别强烈的时候，太阳风的能量能够越过赤道附近的磁场边界，使得极光可见性扩展到低纬度地区。
我国悠久的历史记录里留下了丰富的天象观测记录，其中夜间天象记录到的五色光、神气、赤气、黄白气、火光、赤白色气、赤虹、青气、赤光等现象，一般都是极光现象。以下是一些例子。
“有五色光贯紫薇。”（周昭王元年，约公元前十一世纪，《通鉴外纪》）
$ u% X% f9 |% R" w3 i# z+ _# _“长安东北有神气，成五采，若人冠冕焉。”（汉文帝十四年，公元前166年，《史记·封禅书》）
! J& X. I# z. V2 A0 I; x4 w- ~+ G/ N“日入后，有黄白赤白气东西竞天，光明润泽，久乃消。”（南朝宋明帝泰始二年六月己卯，466年，《宋书·符瑞志》）
: p1 g% ]  M( T% T( D“黄白气长丈五尺许，入太微。”（南齐武帝永明四年正月辛未，486年，《南齐书·天文志》）
“夜见赤虹，光照数百里。”（隋文帝开皇十九年，599年，《隋书·长孙晟传》）
/ h* {3 E$ O. O1 {4 h3 F! {  y“有赤气竞天，其光烛地，经三日乃止。”（唐中宗景龙二年七月癸巳）
, |9 Z7 W' q9 f, p1 V% T! G“昏，西北有青气三。”（唐肃宗乾元三年六月，750年，《新唐书·五行志》）
! K. _+ h+ K/ t. Z$ R4 y9 D“辛未夜，江陵见赤光贯北斗。”（唐代宗即位，其月辛未，762年，《旧唐书·天文志》）
太阳活动的影响不可小觑
; A& \% g4 {; @' Y5 X+ S太阳活动有11年周期，自1749年开始观测以来，目前太阳活动已经进入第25个周期的高峰期。随着太阳活动日益增强和频繁，与太阳活动相关的电磁暴、高能粒子流、日冕物质抛射活动也日益频繁，容易引起电离层突然扰动，严重时会导致无线电通信中断，影响飞行安全，甚至还会威胁在轨人造卫星和空间站的安全运行。
& e( K8 A0 K$ {' q4 |2022年1月下旬，SpaceX用猎鹰9号火箭发射了50颗星链卫星。当时，美国空间天气预报中心发布了中等太阳风警报，而SpaceX通过高层大气模型预测太空环境是安全的。但是当火箭在217英里（350公里）释放荷载时，其中38颗卫星出现故障，未能爬升到位于340英里（550公里）处的运行轨道，随后快速坠入大气层。
5 I) @3 s3 z; @& u9 ^3 }+ M2023年3月24日发生了强度较大的G4级地磁暴，当时在美国南至新墨西哥州（约北纬34°）都可以看见极光，迫使航天公司火箭实验室将发射时间推迟了90分钟。
太阳周期的每个高峰值年持续时间为2到3年，其间的太阳活动会对无线电通信和电力传输网络造成巨大影响。1989年3月的强太阳活动就导致全球卫星和无线电通信信号受到干扰，加拿大魁北克省的供电网络瘫痪、依靠地磁导航的候鸟迁徙受到严重影响。
在未来数月甚至一两年内，太阳活动仍将处于高峰阶段，因此我们还会看到绚丽的极光。在欣赏美丽极光的同时，我们更要密切关注未来的太阳活动，做好空间天气预测与预警，并及时应对。
（作者：魏科，系中国科学院大气物理研究所副研究员）