以下是为您的极光照片准备的一些小贴士。

 

极光科学

1 极光是如何形成
极光(Aurora或Polar light或Northern light)出现于星球的高磁纬地区上空,是一种绚丽多彩的发光现象。而地球的极光,由来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流(太阳风)使高层大气分子或原子激发(或电离)而产生。极光不只在地球上出现,太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。
2极光的原理
极光发现的历史很早,《河图稽命征》上说:「附宝(黄帝之母)见大电光绕北斗权星,照耀郊野,感而孕二十五月,而生黄帝轩辕于青邱。 」这很可能是指极光。部份中国学者认为《山海经·大荒北经》中的烛龙是指极光,古人形容为「人面蛇身,赤色,身长千里,钟山之神也。」。
1619年,伽利略以曙光女神奥罗拉(Aurora) 之名创造出aurora borealis 一词。伽利略解释极光是由反射从地球上上升蒸气的太阳光。
极光最易出现的时期是春分和秋分两个节气来临之前,且春秋两季出现频率更甚夏冬。但2007年美国太空总署「THEMIS」任务的资料显示,在春分和秋分两节气时地球位置与「磁索」交错最甚,而非因四季交替影响才有此结果。另外,在太阳黑子多的时候,极光出现的频率也大。
在过去,有些理论被用来解释这种现象,但现在都已经过时了。
  • 本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)的理论:神奇的北极光是浓稠的带电粒子和极区强烈的雪和其他的湿气作用造成的。极光的电子来自太阳发射的光束。这是克利斯蒂安柏克兰在1900年提出的说法,她在实验室用真空室和磁化的地球模型,显示电子是如何被引导至极区。这个模型的问题包括本身缺乏在极区的极光、负电荷本身自行散射这些光束、而且在近期内仍然缺乏任何太空中的观测证据。
  • 破水桶理论:极光是溢流出的辐射带,这是詹姆斯范艾伦和工作伙伴大约在1962年首先提出的。他们指出在辐射带内获得的巨大能量很快就会在极光的漫射中耗尽。不久之后,很明显的陷在辐射带内的都是高能的带正电离子,而在极光内几乎都是能量较低的电子。
  • 极光是太阳风中的粒子被地球的场线引导至大气层顶端造成的,这适用于极光的尖点,但在间点之外,太阳风没有直接的作用。另一方面,太阳风的能量主要都留驻在带正电的离子,电子只有0.5eV,而在尖点上会上升至50-100eV,这仍然远低于极光的能量。
3现代的极光理论
根据美国太空总署「瑟宓斯卫星任务」(2007/12)(Themis mission)传回的新数据,科学家发现太阳释放的带电粒子像一道气流飞向地球,碰到北极上空磁场时又形成若干扭曲的磁场,带电粒子的能量在瞬间释放,以灿烂眩目的北极光形式呈现,而地球的极光主要只有红、绿二色是因为在热成层的氮气和氧原子被电子撞破,分别发出红色和绿色光。
这项研究是由美国加州大学洛杉矶分校的安吉罗波洛斯主持,其研究结果已于2007年12月9日在「美国地球物理联合会」的学术会议中发表。
瑟密斯卫星任务的5个人造卫星群2007年2月成功发射升空,3月在阿拉斯加和加拿大上空侦测到北极光出现两小时,同一时间卫星也侦测到带电粒子流接触到北极磁场。而让安吉罗波洛斯惊讶的是,带电粒子和磁场接触形成的地磁风暴以每分钟650公里的速度掠过空中,威力相当于黎克特制规模5.5的地震。
科学家早就怀疑,北极光的能源来自带电粒子与北极磁场接触产生的扭曲磁场,但这个理论一直到2010年5月才获得证实,当时瑟密斯任务的卫星群从地球上空6万多公里首度测到扭曲磁场的结构。
极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线(Field line)集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气时,与大气中的原子和分子碰撞并激发,产生光芒,形成极光。
在北半球观察到的极光称北极光,南半球观察到的极光称南极光,经常出现的地方是在南北纬度67度附近的两个环带状区域内。

 

极光的形状与变化

1极光的形状与变化
古人对极光的命名大都以其外形来称呼,也由于它的变化太多而一直无法进行精准的系统化分类。就像雪花一样,没有两个极光是完全相似的,可以说极光的颜色、形状和运动情形变化无穷,尤其它们的形状更是随时在变。纵然研究人员长期以来即致力于极光的分类工作,却始终未能获致一个放诸四海皆准的系统,即使如此,极光呈现出来的形态仍有数种基本特征可以用来描述其间的差异,也都为大多数科学家经常采用。
基本上,通常看来似乎不动,有一条或多条细长而均匀的光带,外形单纯无明显变化且稍微弯曲,底部具有平滑边缘,可以延伸很长的范围,就如圆圈中一段弯曲的部分,此种极光即称为弧状(arcs)极光。如果在极光底层出现有些不规则的纽结或弯曲的结构特征,可称之为带状(bands)极光。弧状极光可以持续一、二个小时,有时也会在数分钟内发展出相当明显的褶曲而成为带状极光,甚至大大卷曲成一种螺旋状(或称波浪状)极光。有些极光完全不具任何明显特征的外形,只是一片孤立且范围小的发光区域,可称之为片状(patches)极光。
弧状和带状极光通常是在夜晚稍早时分最先出现的极光,不具有较明显的内部结构,不过进入半夜时分,极光的形状与结构即会展现出显著及多样的变化,如果碰巧又发生极光活动的一种间歇性增强状态--极光亚暴(auroral substorm),将使极光的强度和形状出现明显变化,在数分钟至数十分钟期间造成极光几乎是爆发性的展现,亮度突然增强,也能够发展出大规模的褶曲状态,形成相当壮观的景象。
极光亚暴出现时,看似寂静的弧状极光会发展出许多长条状的直立光柱,称为射柱状(rays)极光,它们即沿着地球磁场的方向排列在一起。通常涵盖相当可观天域的大片极光总称为纱帐状(veils)极光,而且由于观看位置的不同,就呈现出不同的风貌。构成纱帐状极光的射柱状极光若以显著的褶层圈绕出环状结构,从远处观之就像窗帘一样,可称之为帘幕状(curtains)极光,在其中可以看到明显的射柱状极光迅速移动。
当纱帐状极光出现在头顶正上方时又是另一种景象,一大群射柱状极光似乎是从一个特定点向四面八方辐射出来,犹如在雨中开车看到雨点从前方的某一点倾泻出来,也像观赏流星雨时是从辐射点(radiant)射出一样,可称之为冠冕状(coronas)极光,这其实是一种视觉上的透视效果,实际情况并非如此。
地球南北两个磁极附近都会出现极光,在大多数情况里,南极光和北极光都很相似,几乎会在相同时间出现并以相同方式运动。法国科学家麦兰(Jean Jacques d'Ortous de Mairan)在1733年出版第一本讨论极光的教科书里,就合理推测出这种所谓的共轭现象(conjugacy),认为南半球也可能出现极光,而且可能类似于那些在北半球看到的极光。库克船长在1770年证实南半球也会出现极光,科学家在19世纪中叶也了解到南北半球出现的极光一般具有相似的行为。而从1967年到1971年,阿拉斯加大学费尔班克斯分校地球物理学研究所和洛沙拉摩斯科学实验室(Los Alamos Scientific Laboratory)的研究人员执行了总共18次的双机飞行观测任务,证实南极光和北极光的确呈现出镜像(mirror image)的效果。
当纱帐状极光出现在头顶正上方时又是另一种景象,一大群射柱状极光似乎是从一个特定点向四面八方辐射出来,犹如在雨中开车看到雨点从前方的某一点倾泻出来,也像观赏流星雨时是从辐射点(radiant)射出一样,可称之为冠冕状(coronas)极光,这其实是一种视觉上的透视效果,实际情况并非如此。
地球南北两个磁极附近都会出现极光,在大多数情况里,南极光和北极光都很相似,几乎会在相同时间出现并以相同方式运动。法国科学家麦兰(Jean Jacques d'Ortous de Mairan)在1733年出版第一本讨论极光的教科书里,就合理推测出这种所谓的共轭现象(conjugacy),认为南半球也可能出现极光,而且可能类似于那些在北半球看到的极光。库克船长在1770年证实南半球也会出现极光,科学家在19世纪中叶也了解到南北半球出现的极光一般具有相似的行为。而从1967年到1971年,阿拉斯加大学费尔班克斯分校地球物理学研究所和洛沙拉摩斯科学实验室(Los Alamos Scientific Laboratory)的研究人员执行了总共18次的双机飞行观测任务,证实南极光和北极光的确呈现出镜像(mirror image)的效果。
极光的运动情形同样多变,可以持续一段长时间的稳定状态,只出现一些渐进而不重复的变化,也可能周期性出现亮度增强或减弱的变化。快速运动出现时,可以从每秒十次左右的脉动到肉眼无法分辨的程度,亮度变化也会从只能藉由仪器侦测的极弱状况到能够投射出影子的强度。
作为极光发生源头的太阳,因本身11年的太阳黑子循环周期所发生的任何变化,都会引起来到地球的带电粒子流内部产生变化,进而影响极光呈现出来的状态。太阳黑子是太阳活动状态的表征,与太阳表面的强烈活动区域所在的位置有关联,这些强烈活动区域包含有日珥(prominence)和太阳闪焰等爆发现象,会发射出比平常增强许多的带电粒子流。一般来说,太阳黑子会先出现在高纬度地区,接着再渐渐朝赤道方向移动,只有当太阳黑子接近赤道的极大期时,伴随产生的太阳风会更浓密且速度更快,使得极光活动更强烈,极光出现的范围也更广泛。反之,在极小期期间,极光活动自然减弱而相对安静许多。另外在极大期期间,大型太阳黑子对地球产生的磁暴现象可以持续一至数天,将使极光椭圆区的范围扩展至较低纬度,甚至会出现少数罕见的大规模极光。
太阳活动的强弱与否支配着极光展现出来的多样风貌,若能事先预测太阳的活动状况,自然对安排极光观赏计划有所帮助。今天,世界各地有许多天文台持续对太阳进行监测,在太阳表面发生的各种爆发现象使太阳风出现的增强效果,大致需要1至3天才抵达地球,观测者因此有足够时间预先安排观测计划。
有关极光的科学研究即使已超过1百年,对其产生的机制、发生地点,以及诸如形状、颜色、运动状态等特征,都有相当完整的了解,不过仍有少数未解之谜需要更进一步搜集证据来阐明,其中之一就是神密的极光声音。数千年来,即使在今天,都还有人指出曾听到过极光会发出数种不同的声音,但大都被描述成有如微弱的咻咻声,并且通常是冠冕状极光在头顶正上方快速移动期间被听到的。研究人员对这些说法感到疑惑的理由是,在产生极光之距离地表上方1百公里高空的空气太稀薄而无法传递声音。纵使如此,人们还在继续描述这些声音,而针对极光声音的产生与否进行的所有录音尝试迄今都未获成功。

 

如何拍摄极光

1如何拍摄极光
极光摄影就某些方面来说虽是天文摄影中最简单的项目之一,但要获致令人惊艳的结果,拍摄过程中仍需注意一些基本细节与要求。
  • 发生于地表上方近百公里以上的极光,从摄得的照片看来似乎都很亮丽,不过整体亮度实际上还是相当弱,其灿烂多彩的风貌都需要长时间曝光才捕捉得到。因此,具有B快门的相机、三脚架和快门线都是基本必备的;至于曝光时间则依底片的速度(即ASA感度)、光圈的大小与拍摄当时极光的实际亮度等因素而定,一般可以从5秒至30秒不等,有时不妨也就极光呈快速运动状态或静止状态来考虑实际的曝光时间。
  • 由于人类眼睛对绿色的敏感度最强,对红色的敏感度相对较弱,因此在现场看到的大部分都是绿色极光,其他如红色、紫色、粉红色极光等除非亮度够强,否则肉眼较无法轻易辨认出来,但它们却能无所遁形地显现在底片上。所以当场看到的即使是大规模极光表演后残留下稀薄的少许绿色极光,或许其中尚隐藏着其他颜色的极光,所以绝对不要因此轻易放弃拍摄的机会,说不定底片冲洗出来后会有意想不到的结果。
  • 极光有时看似静静地挂在天边,但大多数时候却呈现出动态的变化情形,移动的速度与延伸的方向、范围时常又会带给人们全新的期待。如果要记录下极光的整体变动状态,清晰呈现出一条条射柱状极光,避免因长时间曝光使得它们的细部构造在快速移动过程中模糊掉,曝光时间自然越短越好。选择ASA感度越高的底片,如ASA400以上,甚至是ASA3200,再将光圈缩小或减少曝光时间,都有助于改善上述情况。一般来说,ASA400底片比较能兼顾到影像的细部构造与质量。
  • 由于纱帐状极光散布的范围、弧状极光延伸的长度有时会跨过半个天空以上,标准镜头根本无法将极光整个形貌捕捉下来,此时就该采用广角镜头甚至鱼眼镜头,尤其碰到发生在头顶正上方的冠冕状极光的情况,鱼眼镜头更能显现出射柱状极光辐聚于天空中某一点的壮观景象。拍摄时将焦点定在无限远,并将光圈开至最大,以期在曝光时间内尽量吸收最多的光。
  • 星空提供了极光演出的舞台背景,群星点缀在炫丽多彩的极光里即构成一幅幅绝佳的画面,若再摄入一些地面景物,必能丰富极光照片的内容,增加其可看性。诸如覆盖着皑皑白雪的山峰、平静无波并映照出地上景物的湖面、或形单影只或簇集成林之披上雪衣的树木,甚至孤立在一片银白世界中并从窗户透出一丝丝微弱黄色灯光的小木屋等等,在选择观赏并拍摄极光的地点时都是可以列入考虑的要素,此外绝对要避免前景中有太亮的光,但少量的月光有时也能出现不错的效果。
  • 拍摄极光绝大部分都是在低温环境下进行的,温度低至摄氏零下2、30度是常有的状况,而且待在户外往往就是个把小时甚至更久,因此必须做好个人的保暖御寒准备,从头到脚都要做保护,否则造成冻伤是划不来的。为了操作快门线及更换底片的方便起见,最好戴上手指头能运作自如且保暖的薄手套,才不致于赤手碰触到表面结冰的低温金属对象,稍不小心即有可能皮开肉绽。
  • 照相机要在那样酷寒的环境下能正常运作,同样必须采取一些适当的防范措施。相较之下,机械式相机毕竟比全电子式相机受到低温影响而出现操作失灵的机率低得多,但并不是说机械式相机就完全不会发生故障,何况电池在低温下的耗电速度也较快,因此要准备多余的电池之外,若能以保暖包将相机机身妥适包覆起来,自然能尽量少有扫兴的情况发生。
  • 在拍摄极光的过程中,切记不要反复将照相机从户外移到温暖的室内,因为镜头上会凝结水汽而影响到拍摄的质量。每一卷底片开始拍摄之前,可以先用手电筒使第一张曝光过度,让冲洗店知道从哪里剪断底片上夹,以免因为亮度不够而无从剪起。一卷底片接近结束时,必须留意不要试图去拍最后一张,因为底片在低温下有可能变得相当脆弱而较容易被扯断。此外,在极低温且干燥的环境里很容易产生静电,它们可能会在底片上产生刮痕,对底片造成伤害,因此在拍完一卷底片后回卷的速度一定要放慢。
  • 相对于传统相机,数码相机的最大优点是当场就可以看到拍摄的结果,做为接下来拍摄的参考依据,不过数码相机本身最好要有一定的高像素,并具备长时间曝光的功能,才有可能拍下极光的美丽身影。至于一般的家庭用录像机的敏感度不够,即使配备电荷耦合组件(CCD),还是无法拍下极光完整的动态演出。要利用电视摄影机来拍摄极光,通常都需要先投注昂贵经费来改良、增强其性能,才能成功拍下极光出现与运动的整个变化过程。