極光為什麼只能在北極或南極附近看到？
― 地球磁力線引導太陽「風」的原理
夜空中綠色或紅色的光幕，就是「極光」。很多人在照片或影片裡看過它，但真正能親眼看到的地方，據說只有靠近北極或南極的少數地區。為什麼極光不是在世界各地都看得到，而是集中出現在特定的地方呢？
提到能看見極光的地方，多半是挪威、冰島、阿拉斯加、加拿大北部等，在地球儀上位置相當偏北的地區。南半球則據說是在紐西蘭南部和靠近南極大陸的地區可以看到。
另一方面，在赤道附近，或像日本這樣的中緯度地區，除非好幾個特殊條件剛好湊在一起，否則幾乎看不到極光。照理說，這種光在地球上任何地方的上空出現都不奇怪，為什麼位置會偏得這麼厲害呢？
解開這個謎團的關鍵，據說就在於從太陽吹來、肉眼看不見的「風」，與地球這塊巨大磁鐵之間的關係。
這股粒子流稱為「太陽風」，據說是由電子和質子等帶電的微小粒子組成。
地球具有類似巨大磁鐵的性質，它的磁力線呈現在北極和南極附近聚集的形狀。
接下來，依序看看「磁力線把粒子引導到極地」的原理。
從太陽吹來、看不見的「風」
太陽除了光和熱，也不斷向宇宙空間釋放電子和質子等帶電的微小粒子流。這股粒子流稱為「太陽風」，一般認為它以每秒數百公里的極快速度穿越宇宙空間。地球一直都受到這股太陽風吹拂。
地球這塊「巨大磁鐵」，會讓粒子改變路徑
據說地球內部有電流流動，在宇宙空間形成宛如巨大條形磁鐵般的磁力線。太陽風的粒子帶電，所以遇到磁力線時無法直線前進，會沿著磁力線改變路徑。由地球磁力形成的這個區域稱為「磁層」，據說它像一面盾牌，保護地表不受大多數太陽風粒子的侵襲。
它是刻意把其中大部分，引導到北極和南極這兩個「出口」。
為什麼粒子會聚集在靠近極點的地方
請回想一下條形磁鐵的實驗。把鐵砂撒在磁鐵周圍，鐵砂會集中聚在磁鐵的 N 極和 S 極附近。這是因為磁力線朝磁鐵兩端（磁極）密集聚集。地球的磁力線也一樣，呈現在北極和南極附近密集的形狀。
沿著磁力線改變路徑的太陽風粒子，會被引導到磁力線密集的北極和南極附近上空。在那裡撞上大氣中的氧和氮粒子，就會發出光，成為我們看到的極光。
據說當太陽發生大規模爆發現象（例如太陽閃焰）時，有時會有比平常更強勁的太陽風抵達地球。這種時候，平常只能在極地看到的極光，偶爾也能在日本等緯度較低的地區觀測到。
可以自己動手驗證的事
- 準備條形磁鐵，以及鐵砂（或指南針）
- 在磁鐵上放一張紙，在紙上薄薄撒一層鐵砂（或把指南針繞著磁鐵一點一點移動）
- 觀察鐵砂集中聚在磁鐵的 N 極和 S 極附近（或磁針劇烈擺動）的樣子
- 想像地球的磁力線也和這個一樣，聚集在北極和南極附近
從身邊的磁鐵實驗，就能親眼確認原本看不見的磁力線形狀。
總結
極光集中出現在北極和南極附近，一般認為是因為從太陽吹來的帶電粒子（太陽風），會沿著地球的磁力線改變路徑。地球的磁力線和條形磁鐵上鐵砂形成的花紋一樣，在北極和南極附近呈密集的形狀，所以太陽風粒子會被集中到這兩個地區，撞上大氣後發出光。
極光美麗的光芒，是太陽的風與地球這塊巨大磁鐵共同交織而成的壯闊物理現象。
至於極光為什麼會因位置和高度不同而呈現不同顏色，這篇文章有詳細說明。
同樣源自「地球的傾斜與運動」的日常現象，也歡迎閱讀秋分為什麼有些年是 9 月 23 日，有些年卻是 22 日？
給想知道更多的人 ― 術語、數值，以及與教科書的連結從國中理化到研究中的話題，都會標明屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「基礎物理」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或教科書中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業科目（磁層物理學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者仍在探究的話題
國中術語：與極光有關的詞彙
- 太陽風：從太陽吹出的帶電粒子流。
- 磁力線：磁鐵周圍看不見的、磁力作用的路徑。
- 磁層：地球磁力所及的宇宙空間區域。
高中用算式驗證：粒子能離磁力線多遠
我們來算算太陽風粒子繞著磁力線轉圈的半徑（拉莫爾半徑）。如果它比地球小得多，粒子就離不開磁力線，只能沿著線被引導到極地。
| 用符號寫 | r ＝ (m × v) ÷ (q × B) |
| 用文字寫 | 轉圈的半徑 ＝ 粒子的質量 × 速率 ÷ (粒子帶的電量 × 磁場強度) |
| 這個算式從哪裡來 | 來自勞倫茲力與圓周運動的平衡。磁場施加的力，剛好等於維持圓周運動所需的力，由此得出這個關係。 |
| 符號 m：質子的質量（單位為公斤） | 據說是 1.67 乘以 10 的負 27 次方 |
| 符號 v：太陽風的速率（單位為公尺／秒） | 以 5 乘以 10 的 5 次方作為參考值 |
| 符號 q：質子帶的電量（單位為庫侖） | 據說是 1.6 乘以 10 的負 19 次方 |
| 符號 B：地球附近的磁場強度（單位為特斯拉） | 以 3 乘以 10 的負 8 次方作為參考值 |
| 分子的數字部分 | 1.67 × 5 ＝ 8.35 |
| 分母的數字部分 | 1.6 × 3 ＝ 4.8 |
| 半徑的數字部分（單位為 10 的 5 次方公尺，也就是約 174km） | 8.35 ÷ 4.8 ≒ 1.74 |
| 地球半徑 6400km 是它的幾倍 | 6400 ÷ 174 ≒ 37 |
粒子畫出的圓圈，只有地球半徑的四十分之一左右。所以粒子無法大幅偏離磁力線，會被帶往磁力線鑽入地面的北極、南極一帶。極光會集中在極地，原因就在這麼小的圓圈。
作為參考，也來算算太陽風本身抵達地球所需的時間。
所需時間（秒） ＝ 太陽與地球的距離（km） ÷ 太陽風的速率（km/秒）
| 太陽與地球的距離 | 據說約為 1 億 5000 萬 km |
| 太陽風的速率 | 以每秒約 500km 作為參考值 |
| 所需時間（秒） | 150000000 ÷ 500 ＝ 300000 |
| 換算成小時 | 300000 ÷ 3600 ≒ 83.3 |
| 換算成天 | 83.3 ÷ 24 ≒ 3.5 |
| 結果 | 約 3.5 天後，太陽風抵達地球 |
一般說觀測到太陽大規模爆發後，過幾天極光會變得活躍，據推測也和太陽風抵達地球所需的這段時間有關。
※ 太陽風的速率會依情況在每秒 300〜800km 左右變動，這裡的計算只是參考值。
高中＋帶電粒子為何會纏繞著磁力線前進
帶電粒子（荷電粒子）在磁場中前進時，據說會受到一個垂直於前進方向與磁力線方向的力（勞倫茲力）。在這個力的作用下，一般認為帶電粒子會纏繞著磁力線，以螺旋狀的軌跡前進。
大學磁層：守護地球的區域
在磁層物理學領域，研究的是地球磁力所及範圍（磁層）的形狀，以及它與太陽風的交互作用。磁層阻擋了大多數太陽風粒子直接抵達地表，但一般認為在北極、南極附近稱為「極隙區」（cusp）的區域，粒子相對容易進入。
📖 算式的推導與更進階的內容：維基百科日文版「磁気圏」（磁層）
研究目前還不清楚的事
- 極光的顏色和形狀，是在哪個高度、以什麼機制被細緻決定的，仍是磁層物理學領域持續深入研究的主題。
- 研究人員也在推進相關技術，希望更準確預測太陽的旺盛活動對人造衛星和輸電網造成影響的「太空天氣」。
- 也有研究在比較木星、土星等其他行星上觀測到的極光，與地球極光有何不同。
點綴夜空的極光背後，是電磁學與太空物理學交會、至今仍在研究的壯闊主題。
與教科書的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應之處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・磁鐵的作用 | 太陽風、磁力線、磁層的基本術語 |
| 高中 | 基礎物理・距離與時間 | 太陽風抵達地球所需時間的計算 |
| 高中＋ | 物理・電流與磁場（進階） | 勞倫茲力與帶電粒子的螺旋運動 |
| 大學 | 磁層物理學 | 磁層的結構與極隙區 |
| 研究 | 磁層物理學・太空天氣預報（研究中） | 發光機制的細節、太空天氣預測技術 |
- 地球科學、物理學相關教科書中，關於太陽風與地球磁場的說明。
- 磁層物理學領域中，關於極光發生機制的研究回顧。
- 太空物理學相關資料中，關於太陽風速度與抵達地球時間的說明。
- 物理學相關教科書中，關於勞倫茲力與帶電粒子運動的說明。
- 太空天氣預報相關資料中，關於太陽閃焰及其對磁層影響的說明。
※ 太陽風的速率與抵達時間，是會隨太陽活動狀況而變動的參考值。
※本文為一般大眾的科學解說。前往極光觀測地時，請做好充分的防寒準備，並留意天候、遵守當地規定，安全地享受極光。