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第一張極光照片的誕生! 高緯度的絕美星空

歷史中也有諸多與極光有關的敘述,引人遐思,但一直都不曾見盧山真面目。直到西元1892年1月5日,人類才第一次以攝影的形式清晰地目睹到極光的身影。由於當時尚未發明彩色攝影技術,因此第一張極光照片是以黑白形式呈現。直到1953年才出現第一張彩色的極光相片。
 
 
1892年1月5日第一張極光照片誕生。
▲1892年1月5日第一張極光照片誕生。
 
第一張極光相片,是黑白的!
 
高緯度地區夜空中絢麗燦爛的極光(Aurora),被許多攝影愛好者視為此生必看的奇景。歷史中也有諸多與極光有關的敘述,例如亞里斯多德、伽利略都曾描繪過天際出現紅色豔麗如同火焰又波動多變的光幕,引人遐思,但一直都不曾見盧山真面目。

直到西元1892年1月5日,德國天文學家Martin Brendel在斯堪地那維亞半島按下快門,人類才第一次以攝影的形式清晰地目睹到極光的身影。由於當時尚未發明彩色攝影技術,因此第一張極光照片是以黑白形式呈現。直到1953年才出現第一張彩色的極光相片。
 
1892年1月5日第一張極光照片(圖/1892: First Auroral Photography〉
▲1892年1月5日第一張極光照片(圖/1892: First Auroral Photography〉
 
攝影技術:天文學家研究極光的重要工具

極光研究與攝影技術的關連極為密切。清晰的極光照片有助於天文學家量化各地區極光的出現頻率,並針對極光特徵加以分類,甚至可以推算極光形成的高度。但早期因攝影技術的侷限使得極光的拍攝困難重重。
 
「降低曝光時間」是捕捉極光輪廓需克服的首要難題。由於極光的亮度非常微弱且形狀時時刻刻都在變動,故需要足夠長的曝光時間才能讓微弱的極光在相紙上留下痕跡,但太長的曝光時間卻可能讓影像糊成一團(註1)。
 
舉例來說,Martin Brendel拍攝的第一張極光相片就花費了7秒,但照片中極光的細節仍不夠清楚。1885年極光研究先驅Sophus Tromholt甚至在書中自嘲表示:「我試過很多種相機與底片來拍極光,不過就是沒有那個運氣。」
 
直到20世紀初期,挪威科學家Carl Størmer與 Kristian Birkeland發現,若要精確計算極光現象發生於大氣中的高度,必須由數個相距數公里的地點同時來拍攝,並且曝光時間不得超過10秒。此外,透過實驗他們還發現,拍攝極光的關鍵點是攝影鏡頭必須不能過度吸收光譜中的藍光與紫外線。因此,鏡片必須足夠薄才可。
 
另一方面,膠捲也必須對藍光與紫外光敏感。據此研究心得,科學家發明了專門拍攝極光的Størmer-Krogness auroral camera(註2) ,並成功將曝光時間降至1秒。此型相機在1915年至1950年間,廣泛地為天文攝影家者與天文學家用於拍攝與研究極光。
 
1909年,測試階段的Størmer-Krogness auroral camera(圖/Auroral Pioneer〉
▲1909年,測試階段的Størmer-Krogness auroral camera(圖/Auroral Pioneer〉
 
史上第一本極光圖譜
 
有了能拍攝清晰極光紋理的工具後,Carl Størmer進ㄧ步將常人以為隨機亂無章法的極光加以分類,提出了第一本極光圖鑑 (Auroral Atlas)。極光圖鑑將極光以型態區分為數類(註3):
 
1. 均勻極光弧與均勻極光帶(Homogeneous Arcs(HA)and Bands(HB))
以磁場東西向呈現的弧或帶狀極光,長度為數百至數千公里,寬度為數公里,海拔高度為90至100公里不等。且HB型態較HA更為多變。
 
2. 極光弧與極光帶(Auroral Arcs (RA) and Bands (RB) with Ray Structures)
與HA、HB相近,但帶有雷射狀的結構,此結構為動態可與鄰近結構合併或分裂,甚至可以捲動為螺旋狀。
 
3. 極光射線(Auroral Rays (R))、 極光幔(Draperies (D))與 極光冕(Coronas (C))
極光射線通常清晰的單獨呈現,長度為數十至數百公里。有時光柱會摺疊為簾幕狀,下緣較為起伏甚至比上緣更亮。
 
4. 極光冕(Coronal Aurorae (C))
極光以絲帶放射狀呈現,主要因為極光的射線狀結構與地磁場方向平行,中心點為磁頂點(magnetic zenith),即懸浮式磁力指針會指向的點。
 
Auroral Atlas中分類的各種極光型態(圖/Auroral Pioneer〉
▲Auroral Atlas中分類的各種極光型態(圖/Auroral Pioneer〉
 
雖然沒有極光,但臺灣仍擁有良好的天文觀賞環境
 
臺灣位處低緯度地區,民眾幾乎沒有機會觀賞到極光,但中央山脈擁有高海拔與低大氣擾動等特質,故仍可提供一個良好的天文景觀觀賞環境。因此在2019年8月,合歡山國際暗空公園就由國際暗天協會(International Dark-Sky Association)正式認證成為臺灣第一座、亞洲第三座(次於韓國、日本)的暗空公園,公園範圍由合歡山鳶峰延伸至小風口區域。
 
認證申請過程中因需克服觀光發展而造成的光害問題,故須透過政府與民間簽訂公約保證減少由清境農場一帶民宿建築造成的光害,例如使用低光害燈泡、改變燈具照明方向等方式以減少人造光源的汙染後,才通過了國際暗天協會的認證。 
 
合歡山與奇萊山上方的星空(圖/International Dark-Sky Association官網)
▲合歡山與奇萊山上方的星空(圖/International Dark-Sky Association官網)
 
臺北市天文協會每年春季也會舉辦「梅西爾馬拉松」(Messier Marathon),其目標是挑戰在一個晚上內觀測到由法國天文學家Charles Messier所建立梅西爾星表內的110個星體。

梅西爾星體無法透過肉眼觀察,須要會搭配星象移轉,還要平均每5分鐘找到一個星體才能完成此馬拉松比賽,這種富挑戰性且難得的觀測體驗讓參與的民眾都津津樂道。臺灣位處北緯20至30度間,是最適合觀賞梅西爾星體的地區之一。2018年起,梅西爾馬拉松的舉辦地點由墾丁改至阿里山的小笠原觀星平臺。
 
參考資料
1. 〈Auroral Pioneer〉write by Alv Egeland & William J. Burke
2. 1892: First Auroral Photography
3. Hehuan Mountain becomes Taiwan’s first International Dark Sky Park
4. Hehuan Mountain (Taiwan, R.O.C.)
5. 光害太嚴重,合歡山將要設立星空保護區?!
6. 跟星空賽跑! 天文馬拉松第十年
 
註1:首屆國際極地年(International polar year,1882-1883年)舉辦時的攝影技術必須曝光4分鐘才能拍攝到足夠清楚的極光形體。
註2:Ole Andres Krogness為Kristian Birkeland實驗室中的一位助理,與Carl Størmer一同開發專門拍攝極光的相機。
註3:其餘兩類為Feeble Glows (G)以及Auroral forms equatorward of the auroral zone。
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