為什么極光的顏色不同？

2025-11-28 00:51:28 分類：百科 閱讀(3371)

新西蘭皇后鎮夜空中的極光（圖片來源：uux.cn蓋蒂圖片社Skyimages）
（神秘的地球uux.cn）據美國生活科學網站（蒂莫西·施密特）：上周，一次巨大的極光太陽耀斑將一股來自太陽的高能粒子從太空中噴涌而出。周末，極光鎮江外圍價格查詢（電話微信156-8194-*7106）鎮江外圍女價格多少海浪到達地球，極光世界各地的極光人們都欣賞到了兩個半球異常生動的極光。
雖然極光通常只在兩極附近可見，極光但本周末，極光它被發現時南至北半球的極光夏威夷，北至南部的極光麥凱。
這種壯觀的極光極光活動高峰似乎已經結束，但如果你錯過了，極光不要擔心。極光太陽正接近其11年太陽黑子周期的極光峰值，強烈的極光鎮江外圍價格查詢（電話微信156-8194-*7106）鎮江外圍女價格多少極光可能會在未來一年左右再次出現。
如果你看到了極光，極光或者任何一張照片，你可能會想知道到底發生了什么。是什么讓極光發光，以及不同的顏色？答案是關于原子，它們是如何被激發的，以及它們是如何放松的。
當電子與大氣相遇時
極光是由帶電的亞原子粒子（主要是電子）撞擊地球大氣層引起的。這些物質一直都是從太陽發出的，但在太陽活動更大的時候會有更多。
地球磁場保護我們大氣層的大部分免受帶電粒子的涌入。但在兩極附近，它們可以潛入并造成嚴重破壞。
地球大氣層中約有20%的氧氣和80%的氮氣，還有一些微量的其他物質，如水、二氧化碳（0.04%）和氬氣。

2024年5月的極光也出現在意大利北部的艾米利亞-羅馬涅地區。CC BY-NC-SA（圖片來源：uux.cn/Luca Argalia/Flickr）
當高速電子撞擊高層大氣中的氧分子時，它們會分裂氧分子（O₂) 轉化為單個原子。來自太陽的紫外線也能做到這一點，產生的氧原子可以與O反應₂ 產生臭氧的分子（O₃), 保護我們免受有害紫外線輻射的分子。
但是，在極光的情況下，產生的氧原子處于激發態。這意味著原子的電子以不穩定的方式排列，可以通過以光的形式釋放能量來“弛豫”。
什么使綠光亮起？
正如你在煙花中看到的那樣，不同元素的原子在通電時會產生不同顏色的光。
銅原子發出藍光，鋇原子發出綠光，鈉原子發出黃橙色，這在老式路燈中也可以看到。這些發射是量子力學規則“允許”的，這意味著它們發生得非常快。
當鈉原子處于激發態時，它只在那里停留約170億分之一秒，然后發射出一個黃色-橙色的光子。
但是，在極光中，許多氧原子是在激發態產生的，沒有“允許”的發光方式來放松。然而，大自然找到了一條路。

2024年5月11日，從塔斯馬尼亞州的奧特蘭可以看到澳大利亞極光。（圖片來源：uux.cn/AAP Image/Ithan James）
主導極光的綠光是由氧原子發出的，氧原子從一種稱為“S”的狀態松弛到一種稱“D”的狀態。這是一個相對緩慢的過程，平均需要將近一整秒鐘的時間。
事實上，這種轉變非常緩慢，通常不會在我們在地面看到的那種氣壓下發生，因為被激發的原子在有機會發出可愛的綠色光子之前，會因為撞到另一個原子而失去能量。但在大氣的上游，空氣壓力較低，因此氧氣分子較少，它們在相互碰撞之前有更多的時間，因此有機會釋放光子。
因此，科學家們花了很長時間才發現極光的綠光來自氧原子。鈉的黃橙色發光在19世紀60年代就已經為人所知，但直到20世紀20年代，加拿大科學家才發現極光的綠色是由氧氣引起的。
紅光是什么造成的？
綠光來自所謂的“被禁止”躍遷，當氧原子中的電子從一種軌道模式跳到另一種軌道時，就會發生這種躍遷。（禁止的轉換比允許的轉換可能性小得多，這意味著它們需要更長的時間才能發生。）
然而，即使在發出綠色光子后，氧原子也會發現自己處于另一種不允許弛豫的激發態。唯一的逃生途徑是通過另一種被禁止的過渡，即從？D狀態到？P狀態，后者會發出紅光。
可以說，這種轉變更是被禁止的，而且在它最終打破規則并發出紅燈之前，D狀態必須存活大約兩分鐘。由于需要很長時間，紅光只出現在高海拔地區，在那里與其他原子和分子的碰撞很少。
此外，由于那里有如此少量的氧氣，紅光往往只出現在強烈的極光中——就像我們剛剛經歷的那樣。
這就是為什么紅光出現在綠光之上的原因。雖然它們都起源于氧原子被禁止的弛豫，但紅光的發射速度要慢得多，在較低的海拔高度與其他原子碰撞時被熄滅的幾率更高。
其他顏色，以及為什么相機能更好地看到它們
綠色是極光中最常見的顏色，紅色是第二常見的顏色。特別是電離的氮分子（N₂⁺, 缺少一個電子并且具有正電荷）可以發射藍光和紅光。這可以在低空產生品紅色色調。
如果極光足夠明亮，所有這些顏色都是肉眼可見的。然而，它們在相機鏡頭中顯示的強度更大。
這有兩個原因。首先，相機具有長曝光的優點，這意味著它們可以比我們的眼睛花更多的時間收集光線來產生圖像。因此，他們可以在較暗的條件下拍攝圖片。
第二個原因是，我們眼睛中的顏色傳感器在黑暗中工作不太好，所以我們在弱光條件下往往會看到黑色和白色。相機沒有這個限制。
不過不用擔心。當極光足夠明亮時，肉眼就能清楚地看到極光的顏色。
這篇經過編輯的文章是根據知識共享許可從The Conversation重新發布的。