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為什么極光的顏色不同？

極光


為什么極光的顏色不同？


新西蘭皇后鎮夜空中的極光（圖片來源：蓋蒂圖片社Skyimages）
據美國生活科學網站（蒂莫西·施密特）：上周，一次巨大的太陽耀斑將一股來自太陽的高能粒子從太空中噴涌而出 。周末，海浪到達地球，世界各地的人們都欣賞到了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，它被發現時南至北半球的夏威夷，北至南部的麥凱 。
這種壯觀的極光活動高峰似乎已經結束，但如果你錯過了，不要擔心 。太陽正接近其11年太陽黑子周期的峰值，強烈的極光可能會在未來一年左右再次出現 。
如果你看到了極光 ， 或者任何一張照片，你可能會想知道到底發生了什么 。是什么讓極光發光，以及不同的顏色？答案是關于原子，它們是如何被激發的，以及它們是如何放松的 。
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 。這些物質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 。
地球磁場保護我們大氣層的大部分免受帶電粒子的涌入 。但在兩極附近，它們可以潛入并造成嚴重破壞 。
地球大氣層中約有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 。

為什么極光的顏色不同？


2024年5月的極光也出現在意大利北部的艾米利亞-羅馬涅地區 。CC BY-NC-SA（圖片來源：Luca Argalia/Flickr）
當高速電子撞擊高層大氣中的氧分子時，它們會分裂氧分子（O₂) 轉化為單個原子 。來自太陽的紫外線也能做到這一點，產生的氧原子可以與O反應₂ 產生臭氧的分子（O₃), 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不穩定的方式排列，可以通過以光的形式釋放能量來“弛豫” 。
什么使綠光亮起？
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，鋇原子發出綠光 ， 鈉原子發出黃橙色，這在老式路燈中也可以看到 。這些發射是量子力學規則“允許”的，這意味著它們發生得非?？?。
當鈉原子處于激發態時 ， 它只在那里停留約170億分之一秒，然后發射出一個黃色-橙色的光子 。
但是 ， 在極光中，許多氧原子是在激發態產生的 ， 沒有“允許”的發光方式來放松 。然而，大自然找到了一條路 。

為什么極光的顏色不同？


2024年5月11日，從塔斯馬尼亞州的奧特蘭可以看到澳大利亞極光 。（圖片來源：AAP Image/Ithan James）
主導極光的綠光是由氧原子發出的，氧原子從一種稱為“S”的狀態松弛到一種稱“D”的狀態 。這是一個相對緩慢的過程，平均需要將近一整秒鐘的時間 。
事實上，這種轉變非常緩慢，通常不會在我們在地面看到的那種氣壓下發生，因為被激發的原子在有機會發出可愛的綠色光子之前 ， 會因為撞到另一個原子而失去能量 。但在大氣的上游，空氣壓力較低，因此氧氣分子較少，它們在相互碰撞之前有更多的時間，因此有機會釋放光子 。
因此，科學家們花了很長時間才發現極光的綠光來自氧原子 。鈉的黃橙色發光在19世紀60年代就已經為人所知，但直到20世紀20年代 ， 加拿大科學家才發現極光的綠色是由氧氣引起的 。
紅光是什么造成的？
綠光來自所謂的“被禁止”躍遷，當氧原子中的電子從一種軌道模式跳到另一種軌道時，就會發生這種躍遷 。（禁止的轉換比允許的轉換可能性小得多 ， 這意味著它們需要更長的時間才能發生 。）
然而，即使在發出綠色光子后，氧原子也會發現自己處于另一種不允許弛豫的激發態 。唯一的逃生途徑是通過另一種被禁止的過渡，即從？D狀態到？P狀態，后者會發出紅光 。
可以說，這種轉變更是被禁止的，而且在它最終打破規則并發出紅燈之前 ， D狀態必須存活大約兩分鐘 。由于需要很長時間，紅光只出現在高海拔地區 ， 在那里與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氣 ， 紅光往往只出現在強烈的極光中——就像我們剛剛經歷的那樣 。
這就是為什么紅光出現在綠光之上的原因 。雖然它們都起源于氧原子被禁止的弛豫，但紅光的發射速度要慢得多 ， 在較低的海拔高度與其他原子碰撞時被熄滅的幾率更高 。
其他顏色，以及為什么相機能更好地看到它們
綠色是極光中最常見的顏色，紅色是第二常見的顏色 。特別是電離的氮分子（N₂⁺, 缺少一個電子并且具有正電荷）可以發射藍光和紅光 。這可以在低空產生品紅色色調 。
如果極光足夠明亮，所有這些顏色都是肉眼可見的 。然而，它們在相機鏡頭中顯示的強度更大 。
這有兩個原因 。首先 ， 相機具有長曝光的優點 ， 這意味著它們可以比我們的眼睛花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圖片 。
第二個原因是，我們眼睛中的顏色傳感器在黑暗中工作不太好，所以我們在弱光條件下往往會看到黑色和白色 。相機沒有這個限制 。
不過不用擔心 。當極光足夠明亮時，肉眼就能清楚地看到極光的顏色 。
這篇經過編輯的文章是根據知識共享許可從The Conversation重新發布的 。