文／簡麗賢

「極光璀璨映長空，輕盈飄逸似雲煙。輕輕拂過夜幕緣，照亮人間美無邊。」形容追尋極光（aurora）的景狀。我的學生分享全家人到阿拉斯加欣賞極光的心得，表達極光成因是她很感興趣的科學主題，儘管追尋極光的過程被凍得渾身僵硬，然而「極光舞動映蒼穹，色彩斑斕似仙境」帶來的感動勝過一切。

粒子碰撞 撞擊地表



日本荒野探險家星野道夫描述極光：「天空出現一絲光芒，像是被來自宇宙的風吹得搖搖晃晃，一眨眼蔓延整個天空，天地蒼茫共一色。不斷變化的光束，此刻像布簾，下一秒像龍捲風，舞動黑暗的夜空。」欣賞極光變幻之美時，也思考極光為何變幻莫測，其成因與物理學電流磁效應與能階躍遷有關；極光的誕生，源自於太陽風（帶電粒子）與地球大氣分子的高能量碰撞。然而，極光並非地球的專利，而是一種宇宙中普遍的物理現象。一顆行星若能同時擁有「大氣層」和「磁場」，就具備產生極光的條件。

宇宙中有不少帶電粒子，太陽表面也有帶電粒子，這些高能量的帶電粒子進入地球磁場後，受磁力作用而沿著磁力線作螺旋運動，往地磁南北極處集中，最後匯集在極區附近。當這些大量高速帶電粒子撞擊大氣中的原子或空氣分子時，受激發的原子或分子會輻射出電磁波而發光，形成極光。如果沒有地球磁場的保護，這些高能量粒子大量撞擊地表，將對多數生物釀成嚴重的傷害。

能階躍遷 形成極光



來自太陽的各種帶電粒子，通過地球上空時，因受到地球磁場作用，若帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直，不管其電荷為正或負，所受磁力亦與速度方向垂直，因此質點作等速圓周運動，此時磁力即為圓周運動的向心力。地球兩極附近的磁場強，地磁的量值愈大，造成帶電質點的半徑愈小。倘若帶電粒子的初速與磁場既非平行亦非垂直，則其軌跡為螺旋線形。

太空中含有高能量的帶電粒子，當太陽發出的高速帶電粒子沿著地球磁力線進入大氣層，與空氣中的原子或分子作用，這些微小粒子吸收能量後進入激發態，隨後「能階躍遷」（transition）回到基態，在躍遷過程釋放光子，形成絢麗斑斕的極光。

原子的能階有高低不同的能量，最低能階的狀態稱為基態（ground state），其餘狀態稱為激發態（excited state）。原子內的電子可放射出特定頻率的光子，而「跳躍」到能階較低的狀態。按能量守恆定律，此光子的能量必須等於高能階與後來低能階的能量差，這種「跳躍」稱為躍遷。