为什么极光有不同的颜色？

当带电太阳粒子撞击地球磁场并流向两极时，就会出现极光。这些粒子撞击的原子类型决定了发出的光的颜色。

上周，一次巨大的太阳耀斑将太阳发出的高能粒子波从太空中涌出。周末，这股浪潮到达了地球，世界各地的人们在两个半球都欣赏到了异常生动的极光。

虽然极光通常只能在两极附近看到，但本周末，南至北半球的夏威夷，北至南半球的麦凯都可以看到极光。

大海捞针的图像。它消失得同样快。我还是无语了。夏威夷的极光 pic.twitter.com/HzKVWTHbnI2024 年 5 月 12 日

这种壮观的极光活动高峰似乎已经结束，但如果您错过了也不必担心。太阳正在接近其 11 年太阳黑子周期的顶峰，强烈的极光可能会在未来一年左右再次出现。

如果您看到极光或任何照片，您可能想知道到底发生了什么。是什么造成了发光和不同的颜色？答案全都与原子有关，它们如何兴奋以及如何放松。

当电子遇到大气层时

极光是由带电亚原子粒子（主要是电子）撞击地球大气层引起的。这些气体一直从太阳发出，但在太阳活动较强的时候会发出更多。

我们的大部分大气层都受到地球磁场的保护，免受带电粒子的流入。但在两极附近，它们可能会潜入并造成严重破坏。

地球大气层大约由 20% 的氧气和 80% 的氮气组成，还含有一些微量的其他物质，如水、二氧化碳 (0.04%) 和氩气。

当高速电子撞击高层大气中的氧分子时，它们将氧分子 (O2) 分裂成单个原子。来自太阳的紫外线也能起到这种作用，产生的氧原子可以与 O2 分子发生反应，产生臭氧 (O₃)，这种分子可以保护我们免受有害的紫外线辐射。

但是，就极光而言，产生的氧原子处于激发态。这意味着原子的电子以不稳定的方式排列，可以通过以光的形式释放能量来“放松”。

是什么让绿灯亮起来？

正如您在烟花中看到的那样，不同元素的原子在通电时会产生不同颜色的光。

铜原子发出蓝光，钡发出绿色光，钠原子发出黄橙色光，您可能在老式路灯中也看到过这种颜色。这些发射是量子力学规则“允许”的，这意味着它们发生得非常快。

当钠原子处于激发态时，它只会停留大约十亿分之十七秒，然后发射出黄橙色光子。

但是，在极光中，许多氧原子是在激发态下产生的，没有“允许”的方式通过发光来放松。尽管如此，大自然还是找到了办法。

主导极光的绿光是由氧原子从“1S”状态松弛到“1D”状态而发出的。这是一个相对缓慢的过程，平均需要几乎一秒钟的时间。

事实上，这种转变非常缓慢，通常不会在我们在地面看到的气压下发生，因为受激原子在有机会发出可爱的绿色光之前，会因碰撞到另一个原子而损失能量。光子。但在大气的上游，那里的气压较低，因此氧分子也较少，它们在相互碰撞之前有更多的时间，因此有机会释放光子。

因此，科学家们花了很长时间才弄清楚极光的绿光来自于氧原子。钠的黄橙色光芒在 1860 年代就已为人所知，但直到 1920 年代，加拿大科学家才发现极光绿色是由氧气造成的。

是什么原因导致红灯亮起？

绿光来自所谓的“禁止”跃迁，当氧原子中的电子执行从一种轨道模式到另一种轨道模式的不太可能的跳跃时，就会发生这种情况。 （禁止的转变比允许的转变的可能性要小得多，这意味着它们需要更长的时间才能发生。）

然而，即使在发射绿色光子之后，氧原子也会发现自己处于另一种激发态，不允许弛豫。唯一的逃逸是通过另一个禁止的跃迁，从 1D 到 3P 状态——它发出红光。

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可以说，这种转变是更加被禁止的，而 1D 状态必须存活大约两分钟，才能最终打破规则并发出红光。由于需要很长时间，红光只出现在高海拔地区，那里与其他原子和分子的碰撞很少。

此外，由于那里的氧气含量很少，红光往往只出现在强烈的极光中——就像我们刚刚看到的那样。

这就是红光出现在绿光上方的原因。虽然它们都起源于氧原子的禁止弛豫，但红光的发射速度要慢得多，并且更有可能因与较低高度的其他原子碰撞而消失。

其他颜色以及为什么相机能更好地看到它们

虽然绿色是极光中最常见的颜色，红色是第二常见的颜色，但还有其他颜色。特别是，电离氮分子（N2+，缺少一个电子并带有正电荷）可以发出蓝光和红光。这会在低海拔地区产生洋红色调。

如果极光足够亮，所有这些颜色都是肉眼可见的。然而，它们在相机镜头中表现得更加强烈。

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有两个原因。首先，相机具有长时间曝光的优点，这意味着它们可以比我们的眼睛花更多的时间收集光线来生成图像。因此，他们可以在较暗的条件下拍摄照片。

第二个是我们眼睛中的颜色传感器在黑暗中不能很好地工作——所以我们倾向于在弱光条件下看到黑白图像。相机则没有这个限制。

不过不用担心。当极光足够明亮时，肉眼就可以清楚地看到极光的颜色。

这篇编辑过的文章是根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布的。The Conversation。阅读原始文章。