愤怒的太阳在全球引发了惊艳的极光。为什么会有不同的颜色?

上周，一个巨大的太阳耀斑从太阳发出了一波高能粒子，穿过太空。上周末，极光到达地球，世界各地的人们都欣赏到了南北半球异常生动的极光。

虽然，极光通常只在靠近两极的地方可见，但这个周末，在北半球最南的夏威夷和最北的麦凯都能看到它。

这次壮观的极光活动高峰似乎已经结束，但如果你错过了，也不用担心。太阳正接近其11年太阳黑子周期的高峰，在未来一年左右，强烈的极光可能会再次出现。

如果你看到极光或任何照片，你可能想知道到底发生了什么。是什么让它们发光，产生不同的颜色？答案全在于原子，它们如何被激发，以及它们又如何松弛。

当电子遇到大气

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。这些是太阳每时每刻都在发射的，但在太阳活动更活跃的时候会有更多。

地球的磁场保护我们的大部分大气层不受带电粒子涌入的影响。但在两极附近，它们可以潜入并造成破坏。

地球大气中约有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。

当高速电子在上层大气中撞击氧分子时，氧分子（O₂）会分裂成单个原子。来自太阳的紫外线也会这样做，产生的氧原子可以和O₂分子反应产生臭氧（O₃），这种分子可以保护我们免受有害的紫外线辐射。

但是，在极光的情况下，产生的氧原子处于激发态。这意味着，原子的电子以一种不稳定的方式排列，可以通过以光的形式释放能量来“放松”。

是什么发出了绿光？

正如你在烟花中看到的，不同元素的原子在被激发时产生不同颜色的光。

铜原子发出蓝光，钡原子发出绿光，钠原子发出黄橙色，这种颜色你可能在老式路灯上也见过。这些发射是量子力学规则所允许的，这意味着它们发生得非常快。

当一个钠原子处于激发态时，它只会在那里停留大约170亿分之一秒，然后就会发射出一个黄橙色的光子。

但是，在极光中，许多氧原子是在激发态中产生的，不允许通过发光来放松。尽管如此，大自然还是会找到办法的。

主导极光的绿光，是由氧原子从“¹S”状态放松到“¹D”状态发出的。这是一个相对缓慢的过程，平均耗时几乎整整一秒钟。

事实上，这种转变非常缓慢，通常不会发生在我们在地面上看到的那种气压下，因为在有机会发出可爱的绿色光子之前，被激发的原子会因为撞到另一个原子而失去能量。

但在大气的上层，那里的气压较低，因此氧分子较少，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弄清楚极光的绿光来自氧原子。早在19世纪60年代，人们就知道钠发出的橙黄色光芒，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。

是什么造成看红光？

绿光来自所谓的“禁止”跃迁，当氧原子中的一个电子从一个轨道模式跳到另一个轨道模式时，就会发生这种情况。（被禁止的转变比被允许的转变发生的可能性要小得多，这意味着它们需要更长的时间才能发生。）

然而，即使在发出绿色光子之后，氧原子发现自己又处于另一种激发态，不允许弛豫。唯一的逃逸途径是另一种被禁止的跃迁，即从¹D态到³P态，这种跃迁会发出红光。

可以说，这种转变是更禁止的，在它最终打破规则并发出红光之前，¹D态必须存活大约两分钟。因为需要很长时间，所以红光只出现在与其他原子和分子碰撞很少的高海拔地区。

此外，由于那里的氧气含量非常少，所以红光往往只会出现在强烈的极光中 —— 就像我们刚刚看到的那样。

这就是为什么红光出现在绿光之上。虽然它们都起源于氧原子的禁止弛豫，但红光发射得慢得多，并且在较低海拔与其他原子碰撞时更有可能被熄灭。

其他颜色，以及为什么相机能更好地看到它们

虽然绿色是最常见的极光颜色，其次是红色，但也有其他颜色。特别是，电离的氮分子（N 2 +，缺少一个电子，带正电荷）可以发出蓝光和红光。这可以在低海拔地区产生品红色调。

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

这有两个原因。首先，相机有长时间曝光的好处，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，它们可以在较暗的条件下拍摄照片。

第二，我们眼睛里的颜色感受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。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。

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