太陽(yáng)的憤怒在世界范圍內(nèi)引發(fā)了令人嘆為觀止的極光。為什么我們會(huì)看到不同的顏色？

上周，一個(gè)巨大的太陽(yáng)耀斑從太陽(yáng)發(fā)出了一波高能粒子，在太空中涌出。上周末，海浪到達(dá)地球，世界各地的人們都欣賞到兩個(gè)半球異常生動(dòng)的極光。

雖然極光通常只在兩極附近可見，但本周末它被發(fā)現(xiàn)南至夏威夷在北半球，以及最北至麥凱在南方。

極光活動(dòng)的壯觀高峰似乎已經(jīng)結(jié)束，但如果您錯(cuò)過了，請(qǐng)不要擔(dān)心。太陽(yáng)正在接近其頂峰11年太陽(yáng)黑子周期，強(qiáng)烈的極光時(shí)期可能會(huì)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(fā)生了什么。是什么讓發(fā)光，以及不同的顏色？答案是關(guān)于原子的，它們?nèi)绾闻d奮 - 以及它們?nèi)绾畏潘伞?/p>

大海撈針圖像。它消失得同樣快。我還是無言以對(duì)。奧羅拉在夏威夷pic.twitter.com/HzKVWTHbnI

— Jacobvandervelde.eth （@JACOBJMV）5月 12， 2024

當(dāng)電子與大氣相遇時(shí)

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(yáng)發(fā)出的，但在太陽(yáng)活動(dòng)更大的時(shí)候會(huì)有更多的。

我們的大部分大氣層都受到地球磁場(chǎng)的保護(hù)，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(yán)重破壞。

地球大氣中大約有20%的氧氣和80%的氮?dú)猓€有一些微量的其他物質(zhì)，如水、二氧化碳（0.04%）和氬氣。

當(dāng)高速電子撞擊高層大氣中的氧分子時(shí)，它們會(huì)將氧分子 （O?） 分裂成單個(gè)原子。來自太陽(yáng)的紫外線也這樣做，產(chǎn)生的氧原子可以與 O? 分子反應(yīng)產(chǎn)生臭氧（O?），保護(hù)我們免受有害紫外線輻射的分子。

但是，在極光的情況下，產(chǎn)生的氧原子處于激發(fā)態(tài)。這意味著原子的電子以一種不穩(wěn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生不同顏色的光。

銅原子發(fā)出藍(lán)光，鋇是綠色的，鈉原子產(chǎn)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(xué)規(guī)則“允許”的，這意味著它們發(fā)生得非?？?。

當(dāng)鈉原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它只會(huì)在那里停留大約 170 億分之一秒，然后發(fā)射出黃橙色光子。

但是，在極光中，許多氧原子是在激發(fā)態(tài)下產(chǎn)生的，沒有“允許”的方式通過發(fā)光來放松。然而，大自然還是找到了一條路。

主導(dǎo)極光的綠光是由氧原子從稱為“1S”的狀態(tài)弛豫到稱為“1D”的狀態(tài)發(fā)出的。這是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，平均需要幾乎整整一秒鐘。

事實(shí)上，這種轉(zhuǎn)變非常緩慢，通常不會(huì)發(fā)生在我們?cè)诘孛嫔峡吹降哪欠N氣壓下，因?yàn)楸患ぐl(fā)的原子在有機(jī)會(huì)發(fā)出可愛的綠色光子之前會(huì)撞到另一個(gè)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?cè)谙嗷ヅ鲎仓坝懈嗟臅r(shí)間，因此有機(jī)會(huì)釋放光子。

出于這個(gè)原因，科學(xué)家們花了很長(zhǎng)時(shí)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(xué)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(dāng)氧原子中的電子執(zhí)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(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。（禁止的轉(zhuǎn)換比允許的轉(zhuǎn)換要小得多，這意味著它們需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能發(fā)生。

然而，即使在發(fā)射綠色光子之后，氧原子也會(huì)發(fā)現(xiàn)自己處于另一種激發(fā)態(tài)，不允許松弛。唯一的逃脫是通過另一個(gè)被禁止的過渡，從1D到3P狀態(tài) - 發(fā)出紅光。

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可以這么說，這種轉(zhuǎn)變更是被禁止的，1D 狀態(tài)必須存活大約兩分鐘，才能最終打破規(guī)則并發(fā)出紅燈。由于時(shí)間太長(zhǎng)，紅光只出現(xiàn)在高海拔地區(qū)，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(xiàn)在強(qiáng)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(xiàn)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(fā)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(jī)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(gè)電子并帶正電荷）可以發(fā)出藍(lán)光和紅光。這會(huì)在低海拔地區(qū)產(chǎn)生洋紅色調(diào)。

如果極光足夠亮，所有這些顏色都是肉眼可見的。但是，它們?cè)谙鄼C(jī)鏡頭中以更高的強(qiáng)度顯示。

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這有兩個(gè)原因。首先，相機(jī)具有長(zhǎng)時(shí)間曝光的好處，這意味著它們可以花費(fèi)比我們的眼睛更多的時(shí)間收集光線來產(chǎn)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(jī)沒有這個(gè)限制。

不過不用擔(dān)心。當(dāng)極光足夠亮?xí)r，肉眼可以清楚地看到顏色。

蒂莫西·施密特（Timothy Schmidt），化學(xué)教授，悉尼新南威爾士大學(xué)

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