極光是一種壯麗的自然光影現象，常令人著迷。但究竟為何會出現極光？答案牽涉到地球大氣、磁場和高能帶電粒子三者之間微妙的交互作用。
這篇文章的實用建議如下(更多細節請繼續往下閱讀)
- 觀測極光的最佳時機：極光通常出現在緯度靠近地磁極的區域，如阿拉斯加、挪威和冰島等地。前往這些地區旅遊時，請留意當地極光預測網站，以掌握最佳觀測時間。
- 追逐極光的秘訣：極光觀測需要耐心和運氣。建議在天氣晴朗、空氣清澈的夜晚，選擇遠離光害的地點，並保持對天空的關注。
- 拍攝極光的技巧：拍攝極光時，請使用低ISO（感光度）、廣角鏡頭和穩定的三腳架。為了捕捉極光流動的軌跡，請嘗試使用較長的曝光時間，同時注意避免畫面晃動。
可以參考 木星極光之謎：揭秘其成因
為什麼高能粒子會與大氣原子碰撞？
極光的產生關鍵在於來自太空的高能帶電粒子和地球大氣層中的原子之間的碰撞。這些高能粒子主要來自兩個來源：太陽風和磁層。其中，太陽風是太陽不斷向外拋射的帶電粒子流，而磁層則是地球磁場在太空中形成的保護氣泡。當太陽風中的帶電粒子與地球磁場相遇時，會被磁場線導引進入大氣層的上層。
地球大氣層主要由分子氧和分子氮組成，這些分子在高層大氣中以稀薄的氣體狀態存在。當高能帶電粒子（如電子、質子和α粒子）進入大氣層時，它們會與這些氣體分子發生碰撞。這些碰撞將電子的能階激發到較高的水平，並使它們處於不穩定的狀態。不穩定的電子會迅速回到較低的能階，並釋放出能量以光子的形式。這就是極光發生的原因。
能階激發：
– 電子吸收高能粒子的能量，躍遷到較高的能階。
能量釋放：
– 電子回到較低的能階，釋放出多餘的能量以光子的形式，產生極光。
極光發生的關鍵：地球磁場的作用
地球磁場對於極光形成至關重要，它扮演著以下關鍵角色：
為什麼會出現極光？. Photos provided by unsplash
極光形成的關鍵因素：高能粒子與大氣原子
極光形成於地球磁場引導高能粒子進入大氣層的過程中。這些粒子與大氣原子碰撞，引發一連串複雜的物理反應，最終產生極光。為了深入了解極光形成的機制，我們必須探討高能粒子和不同大氣原子之間的相互作用。
高能粒子通常來自太陽風或地球磁層。它們帶有大量的電荷，具有很高的動能。當這些粒子進入大氣層時，它們會與大氣中的原子、分子和離子發生碰撞。這些碰撞會激發大氣粒子，使它們從原本的基態躍遷到激發態。
激發態的原子或分子並不穩定，它們會很快地回到基態，釋放出能量。這個能量以光子的形式釋放出來，產生我們所看到的極光。不同類型的原子或分子在不同波長的電磁輻射，從而產生不同的極光顏色。例如，氧原子發射綠色和紅色極光，而氮原子則發射藍色和紫色極光。
高能粒子與大氣原子的碰撞位置決定了極光的出現高度。高能粒子與高層大氣原子碰撞會產生高度較高的極光，往往出現在距離地面100公里以上的高空。而與低層大氣原子碰撞則會產生高度較低的極光，通常出現在距離地面100公里以下。因此，極光的出現高度取決於高能粒子穿透大氣層的深度和與大氣原子的碰撞位置。
| 來源 | 電子、質子 | |
| 性質 | 帶電、高動能 | 氧、氮 |
| 碰撞機制 | 激發大氣原子 | 能量釋放 |
| 產物 | 電磁輻射 | 可見光（極光） |
| 顏色 | 氧：綠色、紅色 氮：藍色、紫色 |
|
| 高度 | 取決於碰撞位置 | 高空（高層）：> 100 km 低空（低層）：< 100 km |
極光形成之鑰：帶電粒子的能動碰撞
極光形成的關鍵步驟之一，便是帶電粒子與大氣原子之間的能動碰撞。當這些來自磁層或太陽風的高能粒子衝進地球大氣層時，它們會與大氣中氧原子、氮原子和氫原子等元素發生激烈的碰撞。
這些高速帶電粒子的巨大能量，足以將大氣原子中的電子激發到更高的能階。這些受激的電子在返回到穩定狀態時，會釋放出特定波長的能量，在不同波長下對應到不同的顏色。例如，氧原子受激後會發出綠色和紅色極光，而氮原子則會產生藍色和紫色的極光。
這些能動碰撞的頻率和強度，是由帶電粒子的能量、通量和它們與大氣原子的相互作用截面決定。因此，磁暴期間或太陽風活動旺盛時，由於帶電粒子的能量和數量增加，往往會導致極光活動更加強烈和壯觀。
總之，帶電粒子與大氣原子的能動碰撞是極光形成的關鍵因素之一。不同元素的原子在受激後發出的不同波長光，構成了極光豐富多彩、令人驚嘆的視覺奇觀。
極光奇觀背後的科學原理：解開極光形成之謎
極光是一種令人著迷的天文現象，其形成過程牽涉複雜的物理原理。綜觀上述論述，我們已經深入探討瞭如何解釋極光形成的關鍵要素，包括帶電粒子、地球磁場和高層大氣的參與。為了進一步釐清極光奇觀背後的科學原理，我們必須將這些要素相互聯繫起來，揭開形成極光的完整過程。
首先，帶電粒子來自太陽風或磁層，它們被地球磁場引導進入大氣層。大氣層中主要成分為氮氣和氧氣，這些氣體分子排列成層狀結構。當帶電粒子進入大氣層後，它們會與氮氣分子發生碰撞，激發氮氣分子，使其進入更高的能量狀態。當這些激發態的氮氣分子恢復到穩定狀態時，它們會釋放出能量，以光的形式呈現，這就是我們所看到的極光。
極光的顏色取決於帶電粒子與不同氣體分子碰撞時激發出的能量。與氮氣碰撞時，會產生綠色和藍色的極光；而與氧氣碰撞時，則會產生紅色和紫色的極光。值得注意的是，極光並非總是均勻分佈的，而是會隨著磁力線的形狀呈現出不同的形態，形成絢爛多姿的極光現象。
為什麼會出現極光？結論
極光是自然界中令人驚嘆的現象，其形成過程複雜且引人入勝。我們探討了產生極光的三個關鍵因素：地球磁場、高能帶電粒子和大氣原子。磁場引導帶電粒子穿過大氣層，而這些粒子與原子碰撞，激發原子發光，產生絢麗多彩的極光奇觀。
理解極光的形成原理不僅能讓我們欣賞其美麗，更能深入了解我們生活的星球。地球的磁場和高層大氣共同創造了這令人著迷的視覺饗宴，提醒著我們自然界的強大力量和微妙平衡。
為什麼會出現極光？ 常見問題快速FAQ
1. 極光會在哪裡發光？
極光會在緯度接近地球磁極的地區發光，例如：挪威的北極光和加拿大育空地區的南極光。
2. 極光發生的季節和時間？
極光通常發生在秋季和春季，時間約在晚上 10 點到凌晨 2 點。
3. 極光是由什麼產生的？
極光是帶電粒子與大氣原子碰撞後發出的光，這些帶電粒子來自太陽風和磁層。
