为什么极光的颜色不同?

为什么极光的颜色不同?

新西兰皇后镇夜空中的极光(图片来源:uux.cn盖蒂图片社Skyimages)

(神秘的地球uux.cn)据美国生活科学网站(蒂莫西·施密特):上周,一次巨大的太阳耀斑将一股来自太阳的高能粒子从太空中喷涌而出。周末,海浪到达地球,世界各地的人们都欣赏到了两个半球异常生动的极光。

虽然极光通常只在两极附近可见,但本周末,它被发现时南至北半球的夏威夷,北至南部的麦凯。

这种壮观的极光活动高峰似乎已经结束,但如果你错过了,不要担心。太阳正接近其11年太阳黑子周期的峰值,强烈的极光可能会在未来一年左右再次出现。

如果你看到了极光,或者任何一张照片,你可能会想知道到底发生了什么。是什么让极光发光,以及不同的颜色?答案是关于原子,它们是如何被激发的,以及它们是如何放松的。

当电子与大气相遇时

极光是由带电的亚原子粒子(主要是电子)撞击地球大气层引起的。这些物质一直都是从太阳发出的,但在太阳活动更大的时候会有更多。

地球磁场保护我们大气层的大部分免受带电粒子的涌入。但在两极附近,它们可以潜入并造成严重破坏。

地球大气层中约有20%的氧气和80%的氮气,还有一些微量的其他物质,如水、二氧化碳(0.04%)和氩气。

为什么极光的颜色不同?

2024年5月的极光也出现在意大利北部的艾米利亚-罗马涅地区。CC BY-NC-SA(图片来源:uux.cn/Luca Argalia/Flickr)

当高速电子撞击高层大气中的氧分子时,它们会分裂氧分子(O₂) 转化为单个原子。来自太阳的紫外线也能做到这一点,产生的氧原子可以与O反应₂ 产生臭氧的分子(O₃), 保护我们免受有害紫外线辐射的分子。

但是,在极光的情况下,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“弛豫”。

什么使绿光亮起?

正如你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,钡原子发出绿光,钠原子发出黄橙色,这在老式路灯中也可以看到。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,它只在那里停留约170亿分之一秒,然后发射出一个黄色-橙色的光子。

但是,在极光中,许多氧原子是在激发态产生的,没有“允许”的发光方式来放松。然而,大自然找到了一条路。

为什么极光的颜色不同?

2024年5月11日,从塔斯马尼亚州的奥特兰可以看到澳大利亚极光。(图片来源:uux.cn/AAP Image/Ithan James)

主导极光的绿光是由氧原子发出的,氧原子从一种称为“S”的状态松弛到一种称“D”的状态。这是一个相对缓慢的过程,平均需要将近一整秒钟的时间。

事实上,这种转变非常缓慢,通常不会在我们在地面看到的那种气压下发生,因为被激发的原子在有机会发出可爱的绿色光子之前,会因为撞到另一个原子而失去能量。但在大气的上游,空气压力较低,因此氧气分子较少,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发现极光的绿光来自氧原子。钠的黄橙色发光在19世纪60年代就已经为人所知,但直到20世纪20年代,加拿大科学家才发现极光的绿色是由氧气引起的。

红光是什么造成的?

绿光来自所谓的“被禁止”跃迁,当氧原子中的电子从一种轨道模式跳到另一种轨道时,就会发生这种跃迁。(禁止的转换比允许的转换可能性小得多,这意味着它们需要更长的时间才能发生。)

然而,即使在发出绿色光子后,氧原子也会发现自己处于另一种不允许弛豫的激发态。唯一的逃生途径是通过另一种被禁止的过渡,即从?D状态到?P状态,后者会发出红光。

可以说,这种转变更是被禁止的,而且在它最终打破规则并发出红灯之前,D状态必须存活大约两分钟。由于需要很长时间,红光只出现在高海拔地区,在那里与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气,红光往往只出现在强烈的极光中——就像我们刚刚经历的那样。

这就是为什么红光出现在绿光之上的原因。虽然它们都起源于氧原子被禁止的弛豫,但红光的发射速度要慢得多,在较低的海拔高度与其他原子碰撞时被熄灭的几率更高。

其他颜色,以及为什么相机能更好地看到它们

绿色是极光中最常见的颜色,红色是第二常见的颜色。特别是电离的氮分子(N₂⁺, 缺少一个电子并且具有正电荷)可以发射蓝光和红光。这可以在低空产生品红色色调。

如果极光足够明亮,所有这些颜色都是肉眼可见的。然而,它们在相机镜头中显示的强度更大。

这有两个原因。首先,相机具有长曝光的优点,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产生图像。因此,他们可以在较暗的条件下拍摄图片。

第二个原因是,我们眼睛中的颜色传感器在黑暗中工作不太好,所以我们在弱光条件下往往会看到黑色和白色。相机没有这个限制。

不过不用担心。当极光足够明亮时,肉眼就能清楚地看到极光的颜色。

这篇经过编辑的文章是根据知识共享许可从The Conversation重新发布的。




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