极光的颜色是怎么来的

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翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：胡暖暖

后台：朱宸宇

https://phys.org/news/2024-05-aurora-expert-electric-rainbow.html

Unsplash/CC0公版图像

上周，一个巨大的太阳耀斑发出一股高能粒子波，在太空中汹涌澎湃。到了周末，这股能量波从太阳到达了地球，给南北半球的朋友们送来了异常鲜艳的极光。

极光通常只在两极附近可见，而上周末，北半球最南端的夏威夷和南半球最北端的麦凯（澳大利亚昆士兰州中部）都观察到了极光。

这次壮观的极光活动高峰似乎已经结束，但如果您错过了它也不用担心。太阳正在接近其 11 年太阳黑子周期的顶峰，在未来一年左右的时间里，强烈的极光很可能会再次出现。

如果你看到了极光或任何照片，你可能会想知道到底发生了什么。是什么让极光发出光芒，并呈现出不同的颜色？答案是：原子的受激和弛豫。

当电子遇上大气层

极光是由带电亚原子粒子（主要是电子）撞击地球大气层造成的。太阳无时无刻不在发射这些粒子，但在太阳活动频繁的时候，粒子就会更多。

我们大部分的大气层都受到地球磁场的保护，这些粒子进不来。但到了两极附近，它们却能溜进来大肆破坏。

地球大气中约20%是氧气，80%是氮气，还有一些微量的其他物质，像是水、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，会将氧分子 (O₂) 分裂成单个原子。来自太阳的紫外线也会这样做，产生的单个氧原子会与氧分子发生反应，生成臭氧（O₃），臭氧可以保护我们不受紫外线的伤害。

但在极光中，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，要“放松”，就通过发光的形式，释放出能量。

绿光是怎么来的？

就像放焰火那样，不同元素的原子在通电后会产生不同颜色的光。

铜原子发出蓝光，钡原子发出绿光，钠原子发出黄橙色光，你可能在老式路灯中见过这种情况。发光规则遵从量子力学，发生在电光火石一瞬间。

当钠原子处于激发态时，它只会停留大约170亿分之一秒，然后就会发射出一个橙黄色的光子。

但在极光中，许多氧原子处于激发态，没有符合规则的渠道来释放能量并发光，但，大自然总是有办法。

主导极光的绿光是由氧原子从“¹S ”态弛豫到“¹D ”态发出的。这是一个相对缓慢的过程，平均需要将近一秒钟。

实际上，一秒钟太久了，所以这个现象很少发生在靠近我们地面的气压之下，因为，受激原子在有机会发出美丽的绿色光子之前，就已经因为撞到另一个原子而失去了能量。但在大气的上游，气压较低，氧分子较少，它们在相互碰撞之前有着更多的时间，因此，也就有了更大的机会释放出光子。

因为这样，科学家花了很长时间才发现极光的绿光来自氧原子。早在19世纪60年代，人们就知道钠发出橙黄色的光，但直到20世纪20年代，加拿大的科学家才发现，极光的绿光原来是由氧原子发出的。

红光又是怎么来的？

绿光来自所谓的禁戒跃迁，当氧原子中的一个电子从一个轨道模式跃迁到另一个轨道模式时，就会发生这种跃迁。(禁止跃迁的概率比允许跃迁的概率低得多，说明它们的发生需要更长的时间）。

然而，即使在发出绿色光子之后，氧原子也会发现自己处于另一个不允许弛豫的激发态。唯一的出路是通过另一种禁戒跃迁，即从¹D跃迁到³P态，从而发出红光。

可以说，这种转变是更加“禁戒”的，¹D 状态必须存活大约两分钟，才能最终打破规则，发出红光。由于两分钟很长，所以红光只能在高空出现，因为在高空，氧原子与其他原子和分子的碰撞很少。

而且，因为高空的氧气含量极少，红光往往只出现在强烈的极光中，就像我们上周末看到的极光一样。

这就是红光的位置高于绿光的原因。虽然它们都源于氧原子的禁戒弛豫，但红光的发射速度要慢得多，在低空与其他原子碰撞而熄灭的几率也更大。

关于其他颜色，以及为什么相机拍得比肉眼看到的还清楚

极光中最常见的颜色是绿色，其次是红色，但也有其他颜色。特别是电离的氮分子（N₂⁺，缺少一个电子，带正电荷）可以发出蓝色和红色的光，它们可以在低空产生洋红色调。

如果极光足够亮，肉眼就能看到所有这些颜色，但它们在相机镜头里会显得更加鲜明。

这有两个原因。首先，相机具有长时间曝光的优势，因此可以比我们的眼睛花更多的时间收集光线来生成图像。所以，它们在较暗的条件下也能拍出图像。

其次，我们眼睛中的色彩传感器在黑暗中的工作性能不佳，因此在光线不足的条件下，我们往往只能看到黑白图像。相机则没有这种限制。

不过别担心，在极光很亮的时候，用肉眼是能看到它们的颜色的。

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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二十年来最强的地磁暴给全球各地带来壮美的极光。图源NASA Sun&Space

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