文／林志鴻
太陽的電磁能28日大爆發，釋放巨大的太陽閃焰（solar flare），噴出約10億噸電漿氣，形成強大的太陽磁暴（geomagnetic storm）或稱太陽風暴（solar storm），預計在萬聖節周末襲擊地球。科學家說，太陽風暴與地球磁場互動，會在南北極產生極光，由於這次太陽風暴夠強，許多較低緯度的歐美地區，例如芝加哥和紐約，可望在美東時間30日夜間或31日清晨看到紫色和綠色的北極光，為萬聖節增添鬼魅色彩。
美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）的太空天氣預報中心（the Space Weather Prediction Center）29日預告，周末襲向地球的太陽磁暴可能產生極光，美國的華盛頓州、中西部上段和東北部可以看到。專家說，能不能看到極光，視當地的天氣狀況和光害程度而定。──2021-10-31 16:42聯合報
極光對身在台灣的人來說，是非常陌生的現象，只能從報章媒體中讀到隻字片語，或在影片中看到極光鬼魅般的影像，很像掛在高空飄揚的藍綠紫紅窗簾。基本上，極光是太陽和地球互動的產物，目前所知的科學知識大致可以解釋極光的形成原因，但還有很多細節尚待解釋……，科學的進展總是這樣，在未完滿的模型中，勉力前行。
●極光形成機制 與日光燈類似
極光的形成機制和氣體放電管很類似，講到氣體放電管或許你感到陌生，但如果提起日光燈、霓虹燈大家應該很熟悉，日光燈和霓虹燈就是利用氣體放電的原理來照明，浪漫一點的或許可以這樣想：
偷偷把遙遠的極光塞進玻璃管，用七彩光芒妝點暗黑的夜。
隨著真空技術的進步，氣體放電管內的氣體抽成真空後，進入了陰極射線管的時代，19世紀末的陰極射線管，對近代物理翻起了一番風起雲湧，首先1897年，德國物理學家威廉•侖琴（Wilhelm Conrad Roentgen）發現了X射線，這是一種能透過物質的電磁輻射。同時，英國物理學家約瑟夫•約翰•湯姆生（Joseph John Thomson）也進行了一些相關的實驗。在1897年，湯姆生觀察到在真空管中加高電壓時，一種未知的輻射從陰極（負極）發射出來。這種輻射後來被稱為陰極射線，並成為後來電子發現的一部分。這一時期的實驗和發現奠定了後來電子和真空管技術的基礎，並在20世紀初期的電子學和電子設備發展中發揮了關鍵作用。
之後，拉瑟福（Ernest Rutherford）發現原子核、質子、波耳（Niels Bohr）建立電子軌域、氣體放電光譜，然後普朗克（Max Planck）提出量子的觀念，由此可知氣體放電管可算是近代物理的濫觴。
●電力、通信、雷射 都需應用高壓電
要能做出氣體放電管，基本上需要兩項技術的成熟：真空及高壓電。最早達成真空技術的是格里特，他做的馬德堡半球實驗，舉世聞名。
馬德堡半球實驗是一個古老的物理實驗，最早由德國物理學家奧托•馮•格里克（Otto von Guericke）於1654年進行。這個實驗展示了真空的力量和大氣壓力的影響。
這個實驗突顯了大氣壓力的存在，並顯示了真空對物體的影響。格里特的實驗是當時對於理解氣體壓力和真空的一個重要貢獻，成為科學史上的經典實驗之一。
高壓電技術的發展歷經了多個階段，包括對於電力傳輸、電子設備和實驗室科學的影響。以下是高壓電發展的幾個主要階段：
①早期實驗（18世紀末–19世紀初）
18世紀末，科學家們開始進行有關靜電學和電場的實驗，使用摩擦產生靜電電荷。這些實驗中的電壓通常較低，但對於當時的科學研究有了一定的啟發作用。
②法拉第電磁感應實驗（1831年）
近代電動機和變壓器的發展開始於1831年，當時英國科學家邁克爾•法拉第進行了一系列的電磁感應實驗。這開啟了對電動機和變壓器的研究，這些設備需要較高的電壓。
③直流電力傳輸（19世紀末–20世紀初）
19世紀末，直流電力開始被用於城市的電力照明和工業用途。然而，由於直流電力難以長距離傳輸，發展進入轉折點。
④交流電力傳輸（1880年代末）
尼古拉•特斯拉和喬治•威斯汀豪斯等科學家和工程師的工作將交流電力引入電力傳輸領域。交流電的特點是容易通過變壓器升高和降低電壓，使得長距離的電力傳輸成為可能。
氣體放電管就在這個階段出現。
⑤超高壓實驗（20世紀初）
20世紀初，科學家開始進行更高電壓的實驗，涉及到雷射、粒子加速器和核反應等領域。這些實驗需要高達數百千伏的電壓。
⑥電力網格的擴張（20世紀中期）
隨著城市的擴張和電氣化的推進，電力網格的需求增加。這致使更高電壓的變電站和輸電線路的建設。
⑦現代高壓技術（20世紀末至今）
在現代，高壓技術應用於多個領域，包括電力系統、通信、醫學成像、科學實驗室和半導體製造。雷射技術、高壓試驗、高壓電纜等成為各種行業的重要組成部分。高壓電的發展過程呈現了科學和技術的不斷推進，並在能源、通信和科學實驗等方面產生深遠的影響。
●不同氣體放電 各有光電學性質
氣體放電管最早可以追溯到19世紀中期。其中一個重要的早期實驗由德國物理學家赫茲（Heinrich Hertz）於1880年代進行。赫茲的實驗探討了高頻交流電場對氣體的影響，並包括氣體放電現象。
不同氣體的放電表現出多種不同特性，這些特性包括放電的類型、發光的顏色、電流和電壓的關係等（見表）。
每種氣體都有其獨特的光學和電學性質。研究這些特性對於理解氣體的行為，並在科學、工程和照明等領域中的應用具有重要價值。
●帶電粒子 進入地球 碰撞氣體 產生極光
極光是由太陽風帶來的帶電粒子與地球大氣中的氣體分子相互作用而產生的自然現象。極光發生的主要原因包括以下幾點：
①太陽風和磁場相互作用：太陽表面的高溫和高能粒子形成太陽風，這些帶電粒子向地球移動。地球本身擁有一個強大的磁場，當太陽風中的帶電粒子與地球的磁場相互作用時，它們受到磁場力的影響，將其中的一部分引導到地球的極區域。
②帶電粒子進入大氣層：一旦太陽風中的帶電粒子進入地球的大氣層，它們與大氣中的氣體分子（主要是氮氣和氧氣）發生碰撞。這些碰撞使得氣體分子激發到高能態。
③氣體分子回到基態：激發態的氣體分子會在一段時間後返回基態，釋出能量。釋放的能量以可見光的形式呈現，形成極光。氮氣和氧氣分子在不同的高度和激發態產生不同顏色的極光。
④地球的磁極區域：極光主要出現在地球的極區域，包括北極和南極。這是因為太陽風主要會影響地球的磁極周遭，使得帶電粒子更容易進入大氣層。
帶電粒子和氣體分子碰撞，使得氣體分子激發到高能態，而後激發態的氣體分子返回基態，釋出的能量以可見光形式呈現，這就是氣體放電管裡發生的現象。事實上，不只地球可以看到極光，木星也可以看得到。
原文出自《好讀周報》751期
