极光是地球周围的一种大规模放电现象，其动力是太阳风 - 磁层发电机。本文叙述近二十年来如何通过密集的卫星、火箭和地面基地的观测，使我们对极光现象的认识大大加深一步。

上世纪后半叶，许多物理学家都被盖斯勒管中明亮的辉光与极光之间的极为相似现象所迷惑。但大量实验研究证明，极光是由围绕地球的大规模放电过程所引起的。接下来的重要问题是，这种放电是如何产生的。近半世纪来，极光物理学家一直设法验证产生极光放电的发电过程。

太阳风-磁层发电机

努力探索发电过程开始于S. Chapman和V. C. A. Ferraro。他们研究了偶极磁场附近完全电离气体（等离子体）的运动，发现地球及其磁场完全被包围在太阳放射出来的等离子流空腔中。那时，人们认为星际空间除了充满太阳喷出的等离子流以及云的界域外，几乎是真空。

1951年L. Biermann根据其对彗星尾的研究得出了这样的结论：星际空间充满了源自太阳的等离子体。他的想法为E. N. Parker所发展，后者证明太阳的最高大气层——日冕与地球大气层不一样，以大约300公里/秒的超声速不断吹开，因此地球及其磁场总是被包围在热等离子流（被称为太阳风）中，围绕地球的空腔是一种永久性的特征。“磁层”这一术语就是由T. Gold引用来描述这种空腔的。

磁层具有像彗星那样的外形，其界面称为磁隙。地球的位置在这种空腔的“头”附近，空腔的长尾背向伸展，至少延伸达几千倍地球半径的距离。Cha-pman和Ferraro研究磁隙成因时，假设了一种反磁等离子流。F. Hoyle、W. Dungey和H. Alfven论证说，太阳风是一种磁化的等离子体。在这样的情况下：地球的磁场不会完全被限制在磁层里，而地球地极的一些磁场线会与太阳风或星际空间里的磁场线交连。检验这种交连的方法之一，是跟踪星际电子的轨道，因为它们或多或少地被迫沿着磁场线从星际空间通过磁隙流入磁层。实际上，在地极上方有一环形区，叫做极冠，太阳电子于此均匀碰撞。极光呈一条窄带，描绘出极冠的边界，称为极光椭圆。

已经证明，地磁和星际磁场线的交连对发电机过程具有极端重要性，因为太阳风（一种完全电离的气体）必须流经磁隙附近交连的磁场线，才能提供电动势V_S×B。有关的过程跟磁流体动力发电机的过程相同。由这种发电机过程所产生的功率（P），可估计为P=F · V_S=10¹²瓦，式中F和V_S分别表示麦克斯韦应力和太阳风速度，发电机的电压约为50千伏，这样，总电流约为2×10⁷安培。因此，太阳风- 磁层是一巨大的天然磁流体动力发电机。

极光椭圆和极光椭圆电路

人们站在极地夜空下能详细加以观察的，只是非常小的一部分（大约二十分之一）极光椭圆，因而使极光的研究拖延了很长时间。事实上，整个地极上空的极光分布甚至到1957年人们还不清楚。通过国际地球物理年（1957/8年）的研究才发现了极光椭圆。

由太阳风-磁层发电机产生的大部分电流，从黎明一端到傍晚一端流过磁层的尾部（横穿尾部电流），形成两个构成磁层尾部的螺线管。然而，有一小部分电流（约2×10⁶安培）从黎明一端的磁隙流到极冠边界的晨半端（即椭圆的晨半端），又从极光椭圆的晚半端流回到黄昏一端的磁隙，以后流过地极电离层。这整个电路可称为极光椭圆电路。

极光亚磁暴

极光是一种特别的动力现象，极光幕说明了横过天空的周期性激烈运动。对地球物理年的全天空照片又作了一次深入的分析，发现这些照片揭示了整个地极天空上方的极光活动。在极光椭圆的午夜扇形区里，平静极光幕的突然发光就是极光活动的开始，一开始发光后，极光幕迅速向极点运动，在后面留下许多扇形段，这种趋极运动产生的大规模波动沿着椭圆向着夜晚的天空传播，这种特殊的波动称为西行涌波。早晨的极光趋向于“瓦解”成为长的分离“光线”，此种猛烈的活动要持续约30分钟到1小时，这段时间被称为极光亚磁暴的膨胀相。紧随着膨胀相的是复原相，其持续时间通常约2小时。极光亚磁暴的发生是周期性的，比方说在中等扰动时期是每隔几小时，因此沿着极光椭圆分布的整个极光幕，在总体上是由静止相、膨胀相和复原相组成的准重复循环变化过程。

这里对比一下极光活动与阴极射线管（与放电管相仿）荧光屏上图像活动之间的某种相似性是有益的。极光相当于图像，地极天空相当于阴极射线管的荧光屏。图像的运动是通过改变射线管中的电场或（和）磁场而使电子束偏转所致；极光的运动在本质上相同，表明磁层电磁场的变化（或扰动）。与极光亚磁暴有联系的磁层扰动称为磁层亚磁暴。

磁层亚磁暴

那么在磁层里电磁扰动是如何发生的呢？太阳风并不是一种稳定的等离子流，最近已经发现，强烈的太阳风是从所谓日冕洞喷出来的，在X射线软片上，日冕洞是太阳中的一个黑斑区，这种高速太阳风里的磁场一般是“湍流的”。已发现，太阳风- 磁层发电机的效率，受星际磁场的北向-南向部分（或垂直于黄道面的部分）所控制。如果星际磁场的北向部分大，发电机的效率最小；如果星际磁场的南向部分大，发电机的效率最大。因而，发电机的效率是随湍流太阳风里星际磁场北向-南向部分的变化而变化。

在发电机高效率时，磁能储存在磁场尾（两个螺线管电路）中，这种磁能交变地转变成磁层亚磁暴的能量。有人认为，有一种类似的磁能转换过程，发生在太阳的大气层里，这是由猛烈的扰动引起的。事实上，称为“日辉”的附带现象，很可能是太阳的极光。有人认为，类似亚磁暴过程亦发生在水星、木星和某些易变的星球上，因而，像这样的磁能转换过程被认为是一种基本的宇宙电动力学过程。

能量转换的一种可能机理，在于载流等离子体的不稳定而引起的横穿尾部电流突然破坏。

磁层亚磁暴是与许多有趣的地极上层大气现象有联系，例如地极磁扰动、电离层扰动和上层大气“风”，它们部分地是由沿着极光椭圆流动的集聚电流造成的，被称为极光电子射流。跨极的无线电通讯，在发生亚磁暴时常常中断。

最近几年来一个最有意义的发现是：极光电子束，与频段为50~200千赫的强烈无线电干扰有关。这样的无线电发射被称为千米制极光无线电发射。当发生磁层亚磁暴时，需要大大增加无线电发射的强度。侥幸的是，这些无线电波产生在电离层上面，但不能穿过它，因此有规律的广播频带是不会受到干扰的。千米制无线电波，只能由卫星上的接收机接收。

现在称为国际磁层研究的整个国际计划正在进行，其中有一项是试图找到什么样的等离子体过程与磁能转换有联系。若干卫星与建立在美国、加拿大、格陵兰、斯堪的纳维亚和西伯利亚的地面天文台网配合一起，以观测磁层、极光和地磁活动中的等离子体及磁场特性。

磁暴和极光

除了来自日冕洞的高速等离子流外，太阳还有另一种喷射等离子体的方式，这与日辉相联系。这种等离子射流是高能量的，足以“挤过”太阳黑子周围的强大磁场或伸展太阳黑子的磁场线。这样喷出的等离子云，具有比太阳风高得多的速度（500~1000公里/秒），因此它在太阳风里要产生激波面。当此激波面到达磁隙前面时，磁层突然被压缩，引起磁层内部地磁场的突然增强。此种现象，长久以来就看作是磁暴的突然开始，所喷出的等离子体云在磁暴开始后几小时到达磁隙。一般说来，等离子云中的磁场要比高速等离子流中的强得多，而且常常变化多端，因此强烈的磁层亚磁暴很频繁，大约每一小时左右出现一次。

磁层亚磁暴发生时的一个重要过程，是等离子体从磁层尾部喷出，进入范阿伦辐射带。喷出的等离子体形成一条强大的磁暴- 时间范阿伦带，在其中有一股环形的西向电流（所谓的“环流”）在几倍于地球半径的距离上围绕地球流动。与此电流相联系的磁场指向南端，它要减小中纬度和低纬度地方的地磁场强度。这种周期称为磁暴的主相。

环流磁场力图使极光椭圆向赤道扩大，这就是在60°和低于60°的地磁纬度上能够看到极光的时期。这种中纬度极光的最主要特征是，呈暗红色，由原子氧放射出来。有人认为，发生磁暴时，电离层电子被加热到相当高的温度（20000°K），变成足以激发氧原子以进行这一特殊放射相高能电子（激发能为2电子伏特）。

[本文选自Endeavour，New Series1978年2卷1期7~11页。陈祖泽译]