極光小常識 6-3：極光帶與Kp指數

極光帶與Kp指數

        魚鱗狀，有看過嗎！這是極光太強使得亮光穿透雲層所造成的視覺現象。黃刀與育空為何是最宜欣賞極光的地方？首先從所謂極光帶談起。

        對很多人來說，極光的科學理論固然晦澀難明，我以我所理解，為大家深入淺出。

        地球一直受地球外核液態鐵攪動產生的磁層保護，地球磁層像個金鐘罩一樣，使得地球免於受到太空輻射侵襲，但是有電就有磁，磁再産生電，20世紀初，一位名叫克里斯蒂安·伯克蘭(Kristian Birkeland,1867~1917)的挪威物理學家首先提出，極光是由太陽電子與地球磁場相互作用，在極地高空産生電流而引起的，改變了傳統的粒子碰撞理論。

何謂極光帶或極光橢圓？

        自從1960年代得助於人造衛星開始，極光被証明為伯克蘭所描述的地磁活動，科學家偵察到太陽風被地球磁場推向兩極，帶電粒子穿過磁場產生電流，電流順沿著地球磁力線到達地球南北兩個磁層頂，分成正負兩端以螺旋形落入大氣層，並圍繞地球磁極為中心建立一道橢圓形的導電空間，電流在橢圓正極流向另一側的負極，與大氣層的氣體相互作用，形成一對極光概率最高的橢圓形狹窄環帶區域，稱為：極光帶或極光橢圓(auroral ovals)。

        由於太陽粒子以俯仰角度進入大氣層，故垂直如柱狀(rising vapor column)的極光反映地球磁場俯仰角的分佈，斜横形如弧狀的極光表示極光橢圓遠處所在的位置，極光散漫的廣度表現在極光帶下看到極光橢圓的窄濶。下圖由射線光帶(Rayed band)所組成的極光圖像，其實是極光帶由遠而近，由高至低的三度空間光線構成。

極光橢圓晩上擴大白天收縮

        這個極光橢圓並不對稱，就像一對橢圓形的指環套在地球的兩端，它在向陽面的白天時被太陽風壓縮，中午圈徑距離地球磁極的夾角約為10°，而且變得非常細薄和微弱；在同一時候，其午夜圈徑與磁極夾角則約為20°，且向磁尾擴張，一般寬度也由緯度約3°擴增至6°。

        極光橢圓的半徑並非固定，當太陽風安靜時，極光橢圓會向內圈收縮，極光帶變得非常狹窄，當地球磁暴增強時，極光橢圓的直徑會隨之擴大，並且寬度變寬向赤道方向擴展，使得極光出現在較低緯度。

黃刀與育空最宜欣賞極光

        黃刀與育空為何是最宜欣賞極光的地方？極光特別眷顧加拿大！由於地球磁極不在地理極點，它不固定地向加拿大方向偏斜約11°，磁極偏斜加上圈徑夾角，所以極光橢圓晚上一般落在北緯約60°的加拿大廣大區域上，亦即極光帶就落在黃刀與育空頭頂，故是最適宜欣賞極光的地方，俄羅斯則要北上到北緯80°才看得到。

        有一個有趣的問題，如果發生強烈地磁風暴時，極光橢圓的直徑會隨之擴大，故在低緯度地區出現的極光強度反而會比平常得天獨厚的極光帶「頭頂區域」更加激烈。

北極反而看不到極光？

        科學家稱極光橢圓形內部的區域為極帽，極帽內的磁力線是開放並且垂直後轉向背風面的磁尾外太空延伸，順勢將絕大部分太陽風帶走，祇有在較低緯度磁力線是封閉的，當迎面而來的太陽風弓激到地球的封閉磁層時，發生磁力線重接，帶電粒子轉成電流，電流循著最外部的封閉磁力線到達磁層頂，再循著封閉磁層與開放磁層的邊界所形成的漏斗形圓柱通道(稱：極尖區,polar cusp)湧進大氣層，極光於是就在這封閉與開放磁層之間的夾縫中發生。

在北極看極光要向南望！

        極光橢圓解釋了為什麼極光帶不在磁極正央，地球磁極附近看不到極光，北極光反而在極帽南面的極光帶出現。儘管如此，在這個極帽內部的「黑暗區域」，仍會閃爍些許「極光雨」，以及一些奥妙未明的黑極光(black aurora)，極帽弧(poleward arcs)或跨極弧(theta aurora)等奇妙輝光，祇不過要在衛星上的儀器才能夠偵察得到，更多的謎題尚待科學解釋。圖為北極海濱伊努特人獨特的冰屋(Igloo)，相對於野外零下幾十度，你可能不會相信，在冰屋内的感覺異常溫暖，絕對可以做個好夢高枕安眠。

何謂地磁指數(Kp-index)

        極光橢圓告訴你極光最經常出現的區域位置，其強度和涵蓋範圍仍待細說，有一個地磁指數(Kp-index)以0至9級為單位，是測量地磁擾動強度的指數，以極光橢圓涵蓋的緯度範圍來表示地磁活動的強度。

        Kp指數是一個磁情指數，其名字來自德語“Kennziffer Planetarische”，於1938年引用，科學家們在全世界設立有13個磁力記錄計算站，有點類似地震偵測站，用於測量地磁波動，每個站點基於該站過去3小時的地磁活動，推估地磁擾動將到達那些緯度，推斷是否會對地球帶來危險，而我們以之用來描述極光橢圓區域的寬度，愈寬看見極光的機會就愈大，當然，Kp値愈高，極光相對愈強。

地磁風暴

        通常，地磁風暴依Kp値分為5級，從G1(輕微)到G5(極端)，Kp値5級及以上被視為地磁風暴，稱為G1級地磁風暴，極光橢圓擴及美加邊境，地面通訊與導航設備亦會受到干擾。假如有一天Kp指數強達9級(即地磁風暴達到G5頂級)，極光橢圓將擴寬至美國中部，那時就連紐約甚至法國巴黎都會看到綠娘的風采，也就是「極光紅牆」最有機會出現的時候。