太阳的愤怒在世界范围内引发了令人叹为观止的极光。为什么我们会看到不同的颜色?

上周,一个巨大的太阳耀斑从太阳发出了一波高能粒子,在太空中涌出。上周末,海浪到达地球,世界各地的人们都欣赏到两个半球异常生动的极光。

虽然极光通常只在两极附近可见,但本周末它被发现南至夏威夷在北半球,以及最北至麦凯在南方。

极光活动的壮观高峰似乎已经结束,但如果您错过了,请不要担心。太阳正在接近其顶峰11年太阳黑子周期,强烈的极光时期可能会在未来一年左右回归。

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。是什么让发光,以及不同的颜色?答案是关于原子的,它们如何兴奋 - 以及它们如何放松。

大海捞针图像。它消失得同样快。我还是无言以对。奥罗拉在夏威夷pic.twitter.com/HzKVWTHbnI

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

当电子与大气相遇时

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。这些一直都是从太阳发出的,但在太阳活动更大的时候会有更多的。

我们的大部分大气层都受到地球磁场的保护,免受带电粒子的涌入。但在两极附近,他们可以潜入并造成严重破坏。

地球大气中大约有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。

当高速电子撞击高层大气中的氧分子时,它们会将氧分子 (O₂) 分裂成单个原子。来自太阳的紫外线也这样做,产生的氧原子可以与 O₂ 分子反应产生臭氧(O₃),保护我们免受有害紫外线辐射的分子。

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”。

是什么造就了绿灯?

正如你在烟花中看到的那样,不同元素的原子在通电时会产生不同颜色的光。

铜原子发出蓝光,钡是绿色的,钠原子产生黄橙色,你可能也在老式路灯中看到过。这些辐射是量子力学规则“允许”的,这意味着它们发生得非常快。

当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,然后发射出黄橙色光子。

但是,在极光中,许多氧原子是在激发态下产生的,没有“允许”的方式通过发光来放松。然而,大自然还是找到了一条路。

主导极光的绿光是由氧原子从称为“¹S”的状态弛豫到称为“¹D”的状态发出的。这是一个相对缓慢的过程,平均需要几乎整整一秒钟。

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,因为被激发的原子在有机会发出可爱的绿色光子之前会撞到另一个原子而失去能量。

但是在大气的上游,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。

出于这个原因,科学家们花了很长时间才弄清楚极光的绿光来自氧原子。钠的黄橙色光芒在 1860 年代就为人所知,但直到 1920 年代才加拿大科学家弄清楚极光绿色是由于氧气造成的。

是什么造就了红灯?

绿光来自所谓的“禁止”跃迁,当氧原子中的电子执行从一种轨道模式到另一种轨道模式的不太可能的飞跃时,就会发生这种情况。(禁止的转换比允许的转换要小得多,这意味着它们需要更长的时间才能发生。

然而,即使在发射绿色光子之后,氧原子也会发现自己处于另一种激发态,不允许松弛。唯一的逃脱是通过另一个被禁止的过渡,从¹D到³P状态 - 发出红光。

可以这么说,这种转变更是被禁止的,¹D 状态必须存活大约两分钟,才能最终打破规则并发出红灯。由于时间太长,红光只出现在高海拔地区,与其他原子和分子的碰撞很少。

此外,由于那里的氧气量很少,红光往往只出现在强烈的极光中——就像我们刚刚看到的极光一样。

这就是为什么红灯出现在绿灯上方的原因。虽然它们都起源于氧原子的禁止弛豫,但红光的发射速度要慢得多,并且更有可能因与低海拔的其他原子碰撞而熄灭。

其他颜色,以及为什么相机能看得更清楚

虽然绿色是极光中最常见的颜色,红色是第二常见的颜色,但还有其他颜色。特别是,电离的氮分子(N₂⁺,缺少一个电子并带正电荷)可以发出蓝光和红光。这会在低海拔地区产生洋红色调。

如果极光足够亮,所有这些颜色都是肉眼可见的。但是,它们在相机镜头中以更高的强度显示。

这有两个原因。首先,相机具有长时间曝光的好处,这意味着它们可以花费比我们的眼睛更多的时间收集光线来产生图像。因此,他们可以在较暗的条件下拍摄照片。

其次,我们眼睛中的颜色传感器在黑暗中不能很好地工作,因此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。当极光足够亮时,肉眼可以清楚地看到颜色。

蒂莫西·施密特(Timothy Schmidt),化学教授,悉尼新南威尔士大学

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