期刊導航
太陽的憤怒在世界范圍內引發了令人嘆為觀止的極光。為什么我們會看到不同的顏色？
上周，一個巨大的太陽耀斑從太陽發出了一波高能粒子，在太空中涌出。上周末，海浪到達地球，世界各地的人們都欣賞到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，但本周末它被發現南至夏威夷在北半球，以及最北至麥凱在南方。
極光活動的壯觀高峰似乎已經結束，但如果您錯過了，請不要擔心。太陽正在接近其頂峰11年太陽黑子周期，強烈的極光時期可能會在未來一年左右回歸。
如果你看到極光或任何照片，你可能想知道到底發生了什么。是什么讓發光，以及不同的顏色？答案是關于原子的，它們如何興奮 - 以及它們如何放松。
大海撈針圖像。它消失得同樣快。我還是無言以對。奧羅拉在夏威夷pic.twitter.com/HzKVWTHbnI
— Jacobvandervelde.eth （@JACOBJMV）5月 12， 2024
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的。
我們的大部分大氣層都受到地球磁場的保護，免受帶電粒子的涌入。但在兩極附近，他們可以潛入并造成嚴重破壞。
地球大氣中大約有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。
當高速電子撞擊高層大氣中的氧分子時，它們會將氧分子 （O?） 分裂成單個原子。來自太陽的紫外線也這樣做，產生的氧原子可以與 O? 分子反應產生臭氧（O?），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一種不穩定的方式排列，可以通過以光的形式釋放能量來“放松”。
是什么造就了綠燈？
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，鋇是綠色的，鈉原子產生黃橙色，你可能也在老式路燈中看到過。這些輻射是量子力學規則“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，它只會在那里停留大約 170 億分之一秒，然后發射出黃橙色光子。
但是，在極光中，許多氧原子是在激發態下產生的，沒有“允許”的方式通過發光來放松。然而，大自然還是找到了一條路。
主導極光的綠光是由氧原子從稱為“1S”的狀態弛豫到稱為“1D”的狀態發出的。這是一個相對緩慢的過程，平均需要幾乎整整一秒鐘。
事實上，這種轉變非常緩慢，通常不會發生在我們在地面上看到的那種氣壓下，因為被激發的原子在有機會發出可愛的綠色光子之前會撞到另一個原子而失去能量。
但是在大氣的上游，那里的氣壓較低，因此氧分子較少，它們在相互碰撞之前有更多的時間，因此有機會釋放光子。
出于這個原因，科學家們花了很長時間才弄清楚極光的綠光來自氧原子。鈉的黃橙色光芒在 1860 年代就為人所知，但直到 1920 年代才加拿大科學家弄清楚極光綠色是由于氧氣造成的。
是什么造就了紅燈？
綠光來自所謂的“禁止”躍遷，當氧原子中的電子執行從一種軌道模式到另一種軌道模式的不太可能的飛躍時，就會發生這種情況。（禁止的轉換比允許的轉換要小得多，這意味著它們需要更長的時間才能發生。
然而，即使在發射綠色光子之后，氧原子也會發現自己處于另一種激發態，不允許松弛。唯一的逃脫是通過另一個被禁止的過渡，從1D到3P狀態 - 發出紅光。
可以這么說，這種轉變更是被禁止的，1D 狀態必須存活大約兩分鐘，才能最終打破規則并發出紅燈。由于時間太長，紅光只出現在高海拔地區，與其他原子和分子的碰撞很少。
此外，由于那里的氧氣量很少，紅光往往只出現在強烈的極光中——就像我們剛剛看到的極光一樣。
這就是為什么紅燈出現在綠燈上方的原因。雖然它們都起源于氧原子的禁止弛豫，但紅光的發射速度要慢得多，并且更有可能因與低海拔的其他原子碰撞而熄滅。
其他顏色，以及為什么相機能看得更清楚
雖然綠色是極光中最常見的顏色，紅色是第二常見的顏色，但還有其他顏色。特別是，電離的氮分子（N??，缺少一個電子并帶正電荷）可以發出藍光和紅光。這會在低海拔地區產生洋紅色調。
如果極光足夠亮，所有這些顏色都是肉眼可見的。但是，它們在相機鏡頭中以更高的強度顯示。
這有兩個原因。首先，相機具有長時間曝光的好處，這意味著它們可以花費比我們的眼睛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照片。
其次，我們眼睛中的顏色傳感器在黑暗中不能很好地工作，因此我們傾向于在弱光條件下看到黑白。相機沒有這個限制。
不過不用擔心。當極光足夠亮時，肉眼可以清楚地看到顏色。
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