以下是爲您的極光照片準備的一些小貼士。

 

極光科學

1極光是如何形成
極光(Aurora或Polar light或Northern light)出現於星球的高磁緯地區上空,是一種絢麗多彩的發光現象。而地球的極光,由來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流(太陽風)使高層大氣分子或原子激發(或電離)而產生。極光不只在地球上出現,太陽系內的其他一些具有磁場的行星上也有極光。
2極光的原理
極光發現的歷史很早,《河圖稽命征》上說:「附寶(黃帝之母)見大電光繞北斗權星,照耀郊野,感而孕二十五月,而生黃帝軒轅於青邱。」這很可能是指極光。部份中國學者認為《山海經·大荒北經》中的燭龍是指極光,古人形容為「人面蛇身,赤色,身長千里,鐘山之神也。」。
1619年,伽利略以曙光女神奧羅拉(Aurora) 之名創造出aurora borealis 一詞。伽利略解釋極光是由反射從地球上上升蒸氣的太陽光。
極光最易出現的時期是春分和秋分兩個節氣來臨之前,且春秋兩季出現頻率更甚夏冬。但2007年美國太空總署「THEMIS」任務的資料顯示,在春分和秋分兩節氣時地球位置與「磁索」交錯最甚,而非因四季交替影響才有此結果。另外,在太陽黑子多的時候,極光出現的頻率也大。
在過去,有些理論被用來解釋這種現象,但現在都已經過時了。
  • 本傑明·富蘭克林(Benjamin Franklin)的理論:神奇的北極光是濃稠的帶電粒子和極區強烈的雪和其他的濕氣作用造成的。 極光的電子來自太陽發射的光束。這是克利斯蒂安柏克蘭在1900年提出的說法,她在實驗室用真空室和磁化的地球模型,顯示電子是如何被引導至極區。這個模型的問題包括本身缺乏在極區的極光、負電荷本身自行散射這些光束、而且在近期內仍然缺乏任何太空中的觀測證據。
  • 破水桶理論:極光是溢流出的輻射帶,這是詹姆斯范艾倫和工作夥伴大約在1962年首先提出的。他們指出在輻射帶內獲得的巨大能量很快就會在極光的漫射中耗盡。不久之後,很明顯的陷在輻射帶內的都是高能的帶正電離子,而在極光內幾乎都是能量較低的電子。
  • 極光是太陽風中的粒子被地球的場線引導至大氣層頂端造成的,這適用於極光的尖點,但在間點之外,太陽風沒有直接的作用。另一方面,太陽風的能量主要都留駐在帶正電的離子,電子只有0.5eV,而在尖點上會上升至50-100eV,這仍然遠低於極光的能量。
3現代的極光理論
根據美國太空總署「瑟宓斯衞星任務」(2007/12)(Themis mission)傳回的新數據,科學家發現太陽釋放的帶電粒子像一道氣流飛向地球,碰到北極上空磁場時又形成若干扭曲的磁場,帶電粒子的能量在瞬間釋放,以燦爛眩目的北極光形式呈現,而地球的極光主要只有紅、綠二色是因為在熱成層的氮氣和氧原子被電子撞破,分別發出紅色和綠色光。
這項研究是由美國加州大學洛杉磯分校的安吉羅波洛斯主持,其研究結果已於2007年12月9日在「美國地球物理聯合會」的學術會議中發表。
瑟密斯衞星任務的5個人造衞星群2007年2月成功發射升空,3月在阿拉斯加和加拿大上空偵測到北極光出現兩小時,同一時間衞星也偵測到帶電粒子流接觸到北極磁場。而讓安吉羅波洛斯驚訝的是,帶電粒子和磁場接觸形成的地磁風暴以每分鐘650公里的速度掠過空中,威力相當於黎克特制規模5.5的地震。
科學家早就懷疑,北極光的能源來自帶電粒子與北極磁場接觸產生的扭曲磁場,但這個理論一直到2010年5月才獲得證實,當時瑟密斯任務的衞星群從地球上空6萬多公里首度測到扭曲磁場的結構。
極光是地球周圍的一種大規模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達地球附近,地球磁場迫使其中一部分沿着磁場線(Field line)集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣時,與大氣中的原子和分子碰撞並激發,產生光芒,形成極光。
在北半球觀察到的極光稱北極光,南半球觀察到的極光稱南極光,經常出現的地方是在南北緯度67度附近的兩個環帶狀區域內。

 

極光的形狀與變化

1極光的形狀與變化
古人對極光的命名大都以其外形來稱呼,也由於它的變化太多而一直無法進行精準的系統化分類。就像雪花一樣,沒有兩個極光是完全相似的,可以說極光的顏色、形狀和運動情形變化無窮,尤其它們的形狀更是隨時在變。縱然研究人員長期以來即致力於極光的分類工作,卻始終未能獲致一個放諸四海皆準的系統,即使如此,極光呈現出來的形態仍有數種基本特徵可以用來描述其間的差異,也都為大多數科學家經常採用。
基本上,通常看來似乎不動,有一條或多條細長而均勻的光帶,外形單純無明顯變化且稍微彎曲,底部具有平滑邊緣,可以延伸很長的範圍,就如圓圈中一段彎曲的部分,此種極光即稱為弧狀(arcs)極光。如果在極光底層出現有些不規則的紐結或彎曲的結構特徵,可稱之為帶狀(bands)極光。弧狀極光可以持續一、二個小時,有時也會在數分鐘內發展出相當明顯的褶曲而成為帶狀極光,甚至大大捲曲成一種螺旋狀(或稱波浪狀)極光。有些極光完全不具任何明顯特徵的外形,只是一片孤立且範圍小的發光區域,可稱之為片狀(patches)極光。
弧狀和帶狀極光通常是在夜晚稍早時分最先出現的極光,不具有較明顯的內部結構,不過進入半夜時分,極光的形狀與結構即會展現出顯著及多樣的變化,如果碰巧又發生極光活動的一種間歇性增強狀態--極光亞暴(auroral substorm),將使極光的強度和形狀出現明顯變化,在數分鐘至數十分鐘期間造成極光幾乎是爆發性的展現,亮度突然增強,也能夠發展出大規模的褶曲狀態,形成相當壯觀的景象。
極光亞暴出現時,看似寂靜的弧狀極光會發展出許多長條狀的直立光柱,稱為射柱狀(rays)極光,它們即沿著地球磁場的方向排列在一起。通常涵蓋相當可觀天域的大片極光總稱為紗帳狀(veils)極光,而且由於觀看位置的不同,就呈現出不同的風貌。構成紗帳狀極光的射柱狀極光若以顯著的褶層圈繞出環狀結構,從遠處觀之就像窗簾一樣,可稱之為簾幕狀(curtains)極光,在其中可以看到明顯的射柱狀極光迅速移動。
當紗帳狀極光出現在頭頂正上方時又是另一種景象,一大群射柱狀極光似乎是從一個特定點向四面八方輻射出來,猶如在雨中開車看到雨點從前方的某一點傾瀉出來,也像觀賞流星雨時是從輻射點(radiant)射出一樣,可稱之為冠冕狀(coronas)極光,這其實是一種視覺上的透視效果,實際情況並非如此。
地球南北兩個磁極附近都會出現極光,在大多數情況裡,南極光和北極光都很相似,幾乎會在相同時間出現並以相同方式運動。法國科學家麥蘭(Jean Jacques d’Ortous de Mairan)在1733年出版第一本討論極光的教科書裡,就合理推測出這種所謂的共軛現象(conjugacy),認為南半球也可能出現極光,而且可能類似於那些在北半球看到的極光。庫克船長在1770年證實南半球也會出現極光,科學家在19世紀中葉也了解到南北半球出現的極光一般具有相似的行為。而從1967年到1971年,阿拉斯加大學費爾班克斯分校地球物理學研究所和洛沙拉摩斯科學實驗室(Los Alamos Scientific Laboratory)的研究人員執行了總共18次的雙機飛行觀測任務,證實南極光和北極光的確呈現出鏡像(mirror image)的效果。
極光的運動情形同樣多變,可以持續一段長時間的穩定狀態,只出現一些漸進而不重複的變化,也可能週期性出現亮度增強或減弱的變化。快速運動出現時,可以從每秒十次左右的脈動到肉眼無法分辨的程度,亮度變化也會從只能藉由儀器偵測的極弱狀況到能夠投射出影子的強度。
作為極光發生源頭的太陽,因本身11年的太陽黑子循環週期所發生的任何變化,都會引起來到地球的帶電粒子流內部產生變化,進而影響極光呈現出來的狀態。太陽黑子是太陽活動狀態的表徵,與太陽表面的強烈活動區域所在的位置有關聯,這些強烈活動區域包含有日珥(prominence)和太陽閃焰等爆發現象,會發射出比平常增強許多的帶電粒子流。一般來說,太陽黑子會先出現在高緯度地區,接著再漸漸朝赤道方向移動,只有當太陽黑子接近赤道的極大期時,伴隨產生的太陽風會更濃密且速度更快,使得極光活動更強烈,極光出現的範圍也更廣泛。反之,在極小期期間,極光活動自然減弱而相對安靜許多。另外在極大期期間,大型太陽黑子對地球產生的磁暴現象可以持續一至數天,將使極光橢圓區的範圍擴展至較低緯度,甚至會出現少數罕見的大規模極光。
太陽活動的強弱與否支配著極光展現出來的多樣風貌,若能事先預測太陽的活動狀況,自然對安排極光觀賞計畫有所助益。今天,世界各地有許多天文臺持續對太陽進行監測,在太陽表面發生的各種爆發現象使太陽風出現的增強效果,大致需要1至3天才抵達地球,觀測者因此有足夠時間預先安排觀測計畫。
有關極光的科學研究即使已超過1百年,對其產生的機制、發生地點,以及諸如形狀、顏色、運動狀態等特徵,都有相當完整的了解,不過仍有少數未解之謎需要更進一步蒐集證據來闡明,其中之一就是神密的極光聲音。數千年來,即使在今天,都還有人指出曾聽到過極光會發出數種不同的聲音,但大都被描述成有如微弱的咻咻聲,並且通常是冠冕狀極光在頭頂正上方快速移動期間被聽到的。研究人員對這些說法感到疑惑的理由是,在產生極光之距離地表上方1百公里高空的空氣太稀薄而無法傳遞聲音。縱使如此,人們還在繼續描述這些聲音,而針對極光聲音的產生與否進行的所有錄音嘗試迄今都未獲成功。

 

如何拍攝極光

1如何拍攝極光
極光攝影就某些方面來說雖是天文攝影中最簡單的項目之一,但要獲致令人驚豔的結果,拍攝過程中仍需注意一些基本細節與要求。
  • 發生於地表上方近百公里以上的極光,從攝得的照片看來似乎都很亮麗,不過整體光度實際上還是相當弱,其燦爛多彩的風貌都需要長時間曝光才捕捉得到。因此,具有B快門的相機、三腳架和快門線都是基本必備的;至於曝光時間則依底片的速度(即ASA感度)、光圈的大小與拍攝當時極光的實際亮度等因素而定,一般可以從5秒至30秒不等,有時不妨也就極光呈快速運動狀態或靜止狀態來考量實際的曝光時間。
  • 由於人類眼睛對綠色的敏感度最強,對紅色的敏感度相對較弱,因此在現場看到的大部分都是綠色極光,其他如紅色、紫色、粉紅色極光等除非亮度夠強,否則肉眼較無法輕易辨認出來,但它們卻能無所遁形地顯現在底片上。所以當場看到的即使是大規模極光表演後殘留下稀薄的少許綠色極光,或許其中尚隱藏著其他顏色的極光,所以絕對不要因此輕易放棄拍攝的機會,說不定底片沖洗出來後會有意想不到的結果。
  • 極光有時看似靜靜地掛在天邊,但大多數時候卻呈現出動態的變化情形,移動的速度與延伸的方向、範圍時常又會帶給人們全新的期待。如果要記錄下極光的整體變動狀態,清晰呈現出一條條射柱狀極光,避免因長時間曝光使得它們的細部構造在快速移動過程中模糊掉,曝光時間自然越短越好。選擇ASA感度越高的底片,如ASA400以上,甚至是ASA3200,再將光圈縮小或減少曝光時間,都有助於改善上述情況。一般來說,ASA400底片比較能兼顧到影像的細部構造與品質。
  • 由於紗帳狀極光散布的範圍、弧狀極光延伸的長度有時會跨過半個天空以上,標準鏡頭根本無法將極光整個形貌捕捉下來,此時就該採用廣角鏡頭甚至魚眼鏡頭,尤其碰到發生在頭頂正上方的冠冕狀極光的情況,魚眼鏡頭更能顯現出射柱狀極光輻聚於天空中某一點的壯觀景象。拍攝時將焦點定在無限遠,並將光圈開至最大,以期在曝光時間內盡量吸收最多的光。
  • 星空提供了極光演出的舞臺背景,群星點綴在炫麗多彩的極光裡即構成一幅幅絕佳的畫面,若再攝入一些地面景物,必能豐富極光照片的內容,增加其可看性。諸如覆蓋著皚皚白雪的山峰、平靜無波並映照出地上景物的湖面、或形單影隻或簇集成林之披上雪衣的樹木,甚至孤立在一片銀白世界中並從窗戶透出一絲絲微弱黃色燈光的小木屋等等,在選擇觀賞並拍攝極光的地點時都是可以列入考慮的要素,此外絕對要避免前景中有太亮的光,但少量的月光有時也能出現不錯的效果。
  • 拍攝極光絕大部分都是在低溫環境下進行的,溫度低至攝氏零下2、30度是常有的狀況,而且待在戶外往往就是個把小時甚至更久,因此必須做好個人的保暖禦寒準備,從頭到腳都要做保護,否則造成凍傷是划不來的。為了操作快門線及更換底片的方便起見,最好戴上手指頭能運作自如且保暖的薄手套,才不致於赤手碰觸到表面結冰的低溫金屬物件,稍不小心即有可能皮開肉綻。
  • 照相機要在那樣酷寒的環境下能正常運作,同樣必須採取一些適當的防範措施。相較之下,機械式相機畢竟比全電子式相機受到低溫影響而出現操作失靈的機率低得多,但並不是說機械式相機就完全不會發生故障,何況電池在低溫下的耗電速度也較快,因此要準備多餘的電池之外,若能以保暖包將相機機身妥適包覆起來,自然能盡量少有掃興的情況發生。
  • 在拍攝極光的過程中,切記不要反覆將照相機從戶外移到溫暖的室內,因為鏡頭上會凝結水汽而影響到拍攝的品質。每一捲底片開始拍攝之前,可以先用手電筒使第一張曝光過度,讓沖洗店知道從哪裡剪斷底片上夾,以免因為亮度不夠而無從剪起。一捲底片接近結束時,必須留意不要試圖去拍最後一張,因為底片在低溫下有可能變得相當脆弱而較容易被扯斷。此外,在極低溫且乾燥的環境裡很容易產生靜電,它們可能會在底片上產生刮痕,對底片造成傷害,因此在拍完一捲底片後回捲的速度一定要放慢。
  • 相對於傳統相機,數碼相機的最大優點是當場就可以看到拍攝的結果,做為接下來拍攝的參考依據,不過數碼相機本身最好要有一定的高像素,並具備長時間曝光的功能,才有可能拍下極光的美麗身影。至於一般的家庭用錄影機的敏感度不夠,即使配備電荷耦合元件(CCD),還是無法拍下極光完整的動態演出。要利用電視攝影機來拍攝極光,通常都需要先投注昂貴經費來改良、增強其性能,才能成功拍下極光出現與運動的整個變化過程。