看看文章，逛逛宇宙~
极光：带电粒子对地球的“前后夹击”
极光是来自太阳的带电粒子冲进地球大气层导致的发光现象，这句话大概大家都已经看得厌烦了。但是，“来自太阳的带电粒子”是怎么冲进地球大气层的，明明是“来自太阳的带电粒子”为什么却会在地球的夜晚，也就是背向太阳的那一面发光呢？在迎着太阳的那一面，是否也有极光存在？要弄明白这些问题，得先明白地球磁层这把“伞”是怎么“撑”起来的。
地球磁层 图片来源：NASA/JPL
众所周知，地球像是一个巨大的磁铁，从南北两极伸出磁力线，环绕在自己周围。如果地球是处在一个绝对不受干扰的环境中，这些磁力线应该是围绕着它的磁轴对称的，但由于太阳风的“压迫”，在向阳面被大大压扁，而在背阳面则拖出了长长的尾巴。对带电粒子来说，磁力线是坚固的“壁垒”，带电粒子无法穿过磁力线，只能沿着它前行。所以大部分的粒子就被地球磁层拒之门外，沿着外围飞走了，“漏洞”只有两处，一是在朝向太阳的这一侧，磁场被推挤压扁时形成的两个“漏斗”，漏斗的口伸向太阳一侧，底部则通往地球的南北极区上空；二是在背向太阳的这一侧，有一部分磁力线在尾部会聚闭合，沿着磁力线前进的带电粒子会聚在这里，和其他地方形成电势差。地球磁层防护的这两处“漏洞”，都是极光的来源。“前后夹击”的结果是，在地球的正午和子夜，各有机会出现一次清晰明显的极光。
当太阳风吹过地球，大部分的粒子沿着磁层外围掠过，小部分粒子从“漏斗”冲向高层大气。由于“漏斗”的底部到磁极还有一小段距离，所以产生极光的区域是围绕着磁极的一道环带，如果真的来到磁极所在的位置，反而是看不到极光的。下面这段演示动画来自NASA's Goddard Space Flight Center。由于漏斗是伸向太阳这一面的，所以冲进来的位置，是处于正午的这一道经线圈上。这样的极光如果想在天空中用肉眼看到，得等极光带内的区域进入极夜时段才行，也就是视频中演示的这种情况。
同时，聚集在地球磁层尾部的带电粒子，也会沿着磁力线返回地球上空，这是位于地球夜面的极光，在午夜时分最为清晰。分别在正午和子夜前后加大规模冲进地球大气的带电粒子，也让环绕在磁极周围的极光带变得微微椭圆，在正午和子夜附近的位置稍微向纬度更低的方向伸出。所以极光带又有一个形象的名字，叫“极光卵”，因为它的形状确实有点像一只蛋。
图像来自NOAA极光预报网站 https://www.swpc.noaa.gov/
在“前后夹击”的极光中，来自磁尾的极光更清晰、更明显，极光卵在午夜前后的这一段也更宽。这个环带的具体范围和位置随着空间天气的情况而变化，不是固定不变的。
极光的颜色
漂浮在高空中的绿色极光
极光的发光原理可以类比霓虹灯，当地球大气被冲进来的带电粒子“通电”，就会发出辉光。在遍布全网的极光图片中，绿色的极光是最常见的。这是和氮气混在一起的氧原子被太阳风粒子撞击后发出的光，发生在距离地面100-250千米的位置。在更高和更低的大气中，由于大气密度不同，发光的气体也不一样。
在更高的高度，空气稀薄，氧原子只有被特别高能的粒子撞击才会发光，发出的不是绿光，而是红光，而且亮度往往比较暗。这种情况下，从地面往往看不到红色的极光，反而当从空间站上向下看的时候，可以看到极光的红色顶部。
从空间站看到的极光，图片来自NASA
当然，在太阳风暴爆发，大量带电物质被抛向地球的时候，情况就有所不同。在这种时候，大片的红色极光会出现在天空中被人们看到，而且范围不限于高纬度，甚至中低纬度的地区，在太阳风暴特别强烈的时候，也有机会看到红色的极光。
在太阳风暴后，有机会看到红色极光
在更低的大气中，由于空气密度增大，氧原子在撞击之后，发光之前，已经又通过碰撞把能量传递出去了，所以在这个高度上，发光的是氮气分子和离子，它们各自发出红色和蓝紫色的光，混在一起就成了粉紫色。于是，有时可以看到，在绿色光幕的下沿，镶着一道粉紫色的边。
“镶边”的极光
虽然大气里还有各种各样的其他分子和原子，但极光产生的颜色，其实就是氮和氧发出的蓝、绿和红色光。这正好是光学上的三原色，于是，有时碰巧了，也能混合出黄色、宝蓝色、玫瑰红色。但是，“上红下粉绿中央”，还是极光的基本色。
极光观看指南
和流星雨不一样，虽然极光的照片也是精美绝伦而且随便一搜就是大把，但普通人亲眼看到极光的机会，比起不太挑观测区域的流星雨来说可是少得多。和流星雨一样的却是，照片是可能“照骗”的，相机看到的景象，未必就是身临其境时人眼直接看到的景象。
除非在太阳活动活跃，或太阳风暴爆发的期间，天空中出现的极光常常并不明亮，只是似有若无的辉光，在星空中若隐若现。这时，由长期曝光的相机“看到”的景象，肯定比人眼直接看到的清晰。携带一台合适的相机来帮助人眼“看到”极光，是不错的选择。这也意味着，观看极光和观看流星雨一样，需要远离城市灯光，并且选择一个月相合适的晚上，避开月光的干扰。
极光的预报和天气预报一样，是概率性的，它不像流星雨那样有具体的时间点，有时即便等上一夜，也不一定能看到心仪的极光。在极光带范围内里选择好合适的落脚点之后，需要的是一点耐心和运气。同时，因为极光需要在入夜后观看，这就排除了高纬地区的温暖季节，必须在入秋到开春这段时间才有机会观赏。再加上极光是在午夜前后最为清晰，在出发观看极光的时候，保暖准备工作是重中之重。