或许你看过很多关于极光的摄影作品，但绝不等于你见识过了极光。在午夜的北极圈附近等候极光绝对是一件令人兴奋的事情！抬头仰望黑色夜空，神秘莫测的北极光在这面巨大幕布上不停变换着光影，红的、绿的、蓝的……动心了？别着急，先看看这篇文章，穷游er p111q告诉你，如何追寻“欧若拉”。
一、极光是什么？
最初，这种神奇的现象并未完全给人们带来美的享受。在古代，从东方到西方，由于无法科学解释这种现象，不同文明中一直流传着关于“她”的各种传说。居住在北极圈内的爱斯基摩人认为“她”是走向天国的通道，不幸死亡者的幽灵用火把为后来者点亮通道，这火把构成的通道便是极光。生活在拉普兰德（Lapland）的萨米人（Sami）也对极光充满好奇和恐惧，认为极光会携带斧头飞越天空，杀死任何嘲笑“她”的人，因此在明亮极光下行驶的雪橇不允许使用钟铃，以免惊动极光遭遇不幸。几千年过去了，如今已经很少有人再会害怕这空中的彩色飘带，但对“她”的好奇与探索确丝毫没有减弱。
图1.本文作者分别在挪威特罗姆瑟（Tromso）和斯瓦尔巴德(Svalbard)拍摄到的极光。
从现象上描述，极光是一种可以在地球高纬度地区的高空中观察到的大气发光现象。“欧若拉”这个中文名字便是从她的英文名字Aurora音译来的。现代科学认为极光是由来自太阳风的高能电子与高层大气中的分子和原子相互撞击所产生的气体发光现象。由于地球大气主要由氮气和氧气构成，所以极光的发光谱线在可见光谱中主要分布于氧6300 Å（红色）、氧5577 Å（绿色）和氮4278 Å(蓝色)。实际观测中，红色多见于极光顶部（离地面较远一侧），而底部颜色更接近蓝绿色。但红色极光并不十分容易被观测到，只有在极光较强时人们才能发现它的踪迹。这是因为大气层不同高度的气体组份是不尽相同，在100km-200km之间的极光主要由氮分子和氧原子贡献；200km以上的高空中，极光主要来自氧原子，少部分来自氮分子，同时这一高度以上的大气密度开始变得非常低，只有与更高能量和更高密度的电子流发生轰击，才有机会让这一高度的氧原子释放出红色光线。那么这些高能电子流来自哪里呢？究其源头，它们主要来自于离我们最近的恒星——太阳。太阳无时无刻不在向周围空间发射各种粒子，这些粒子构成了我们一般所说的太阳风，这股超声速的“风”掠过地球，使地球的偶极磁场不能延伸到无限远的地方。在对着太阳的一侧，地磁场被太阳风压缩，而背向太阳的一侧，地磁场被拖拽伸长。太阳风的动压力与地磁场的磁压力的平衡位置称为磁层顶。由于太阳风是超声速的，所以在磁层顶外侧还可以观察到弓激波（bow shock）。
图2.太阳风与地磁场，图片来自NASA。
这些结构像一个防护罩保护着地球，使太阳风中的电子很难直接进入地磁场，进而保护地球大气层免受太阳风剥离。尽管如此，磁层也并非是平静的，许多爆发现象时有发生，表现为地磁场的突变和极光活动的增强。通过多年的科学观测，科学家们发现地球上的强烈极光活动与太阳黑子活动紧密相关。太阳黑子是太阳光球层上出现的温度较低的斑状区域，与一种叫做日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection，CME）的过程关系十分紧密。所谓日冕物质抛射，顾名思义就是太阳日冕层的大量物质（主要包括电子、质子和一些重原子）被抛射到宇宙空间中。与平静时的太阳风不同，这部分粒子被抛射出的速度非常快，造成太阳风强度和方向的剧烈变动。在拉格朗日L1点（地日引力平衡点）的ACE卫星曾经观察到超过1000km/s的电子流，这一速度是平静时太阳风的2倍。如此高能的等离子体流不仅仅包含大量高能电子，同时还携带着来自日冕物质抛射过程中的大量磁能，这一高能等离子体流经过大约几十小时的飞行便可到达地球轨道。
图3.美国国家天气预报中心提供的1-4天地日空间等离子体密度（Plasma Density）及径向速度（Radial Velocity）预测，中心黄色圆点代表太阳，右侧在黑色轨道线上的绿色点代表地球。
类似于公园里为草坪洒水的旋转式喷头喷出的水流，由于太阳的自转，CME（图3中的以太阳为中心发出的带状部分）在离开太阳后的飞行过程中还具有一个固定方向的角速度，这使得CME的飞行轨迹是一条弧线。如果地球正好经过这条弧线与地球轨道的交点附近区域，地球磁场便会受到这一等离子体流的强烈冲击，对日侧的地磁场和磁尾则会受到更强烈的压缩。如果CME携带的磁场与它扫过的地磁场部分的磁场方向相反，如图4中第一行红色线代表的太阳风在Bz（地磁轴方向）方向发生磁场方向变化（黄色箭头，极光一小时预警），或者磁尾中源自南北极的逆向磁场线由于太阳风扰动而发生强烈挤压，则在磁层顶和磁尾逆向磁场挤压最强烈的位置有可能发生“磁重联”现象。磁重联会使逆向的磁场线重新连接，电子从磁场挤压垂直的方向被加速抛出，其中一部分电子会沿地磁场线方向飞向地球。由于地磁场是一个磁偶极场，且磁轴大致平行于地球自转轴，所以在南北极区域磁场线由高空指向地面，这使得电子会沿磁场线进入大气层，与大气层中的气体分子发生碰撞，产生极光。
图4.位于拉格朗日L1点的ACE卫星监测到的实时太阳风的磁场、方向、密度、速度、温度数据。
二、极光的最佳观赏地在哪儿？
由于地磁场的中心在地面下很深的位置，当磁力线延伸到地表时，其与地表面的交点大致构成一个环形区域，导致我们观察到极光的最强部分一般分布在一个以磁极为中心的环形区域。在极光研究中，这一环形区域被称为极光卵（auroral oval），如图5中所示的环形发光带。
图5.IMAGE卫星和Polar卫星在南北极同时拍摄到的极光照片
处在极光卵下方的区域在晴朗夜间便有机会观测到极光现象。极光卵的大小与磁暴强弱有直接关系，磁暴越强，极光卵越大，也意味着越多的低磁纬度地区有机会看到极光。需要说明的是，某一地区的地磁纬度与地理纬度是不同的，它们分别是以地磁极和地理极点（地球自转轴与地面的交点）为中心坐标系统，地磁极一直在发生着移动。在2007年，北磁极点位于加拿大北部、格陵兰岛偏西的位置（图6中2007红色点的位置），由于北磁极在北欧大陆的西北方向，这就导致几乎处于同一纬度的挪威和瑞典两个城市，由于挪威更加靠西，所以挪威的城市磁纬通常更高，更接近极光卵，也就更容易看到极光，当然这是不考虑天气条件的推断。
图6.北磁极的位置变化，图片来自 Tentotwo。
同样，几乎处于同一纬度范围且纬度都较低的中国和美国本土地区，由于美国磁纬更高，所以在较强磁暴发生时，美国本土北部地区会偶有观测到极光的报告，然而磁纬较低的中国大陆确几乎没有观测到极光的报告。所以，想看到极光，宗旨之一就是尽量去靠近极光卵的位置。北半球的极光卵经常处于大陆上空，这给生活在这些地区人们提供了良好观测机会。其中，北欧北部地区（Lapland）、英国北部地区、加拿大，以及阿拉斯加和俄罗斯北部都是可以经常观察到北极光的地区。而南极光卵所在的位置大都处于南极大陆或周围海面之上，该区域常住人口较少，所以观测报告也很少。不过除各国在南极建立的科考站外，南美大陆、澳洲及非洲的最南端都还是有机会观测到南极光的。正如前文所说，极光分布于一个椭圆形的环状区域，所以并非越靠近磁极点越好。笔者曾到位于磁纬79 ºN的斯瓦尔巴德的The Kjell HenriksenObservatory（KHO）进行极光观测（图7中上部，黄色五角星所在处）。由于这里过于靠北，已进入极光卵内部，一旦地磁活动有所增强，极光反倒会远离这里，所以这里的工作人员常常说我们要向南才能看到北极光。
图7. KHO提供的北欧地区的极光卵位置模拟结果
to be continued
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