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极光的绚丽色彩从何而来?小小粒子有贡献

2019-07-1909:22:07来源:科技日报

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美国女航天员克里斯蒂娜·H·科赫(Christina H. Koch)是单次在太空滞留时间最长的女性。近日,她在社交媒体公布的一张照片受到颇多关注——在国际空间站上拍摄的星轨照片。 这并非克里斯蒂娜·H·科赫第一次公布在空间站创作的摄影作品。今年6月,她在国际空间站拍摄的极光照片也吸粉无数。

极光通常出现在地球南北两极附近地区夜间的高空中。它自古就因为绚丽多彩而被留意、观察和记录。克里斯蒂娜·H·科赫拍摄的极光照片呈现出绿色的光芒。人们也曾观测到红色、蓝色等其他颜色的极光,甚至同时夹杂不同的颜色。

那么,极光为什么会有不同的颜色?不同的颜色背后又是什么不同的物理过程?

高空微观粒子的能量跃迁游戏

通常认为,极光是太空(太阳风或地球磁层)中的高能带电粒子进入极区附近的高层大气引发的自然现象。它因为集中出现在两极附近被称为极光。出现在南极的被称为南极光,出现在北极的被称为北极光。极光常常呈带状、弧状、幕状、放射状。这些形状有时稳定,有时连续在变化。

近代的量子力学认为,微观粒子的能量常常是一份一份的,也就是“量子”,而不是连续变化的。按照量子力学基本原理,分子按其内部运动状态的不同,可处于不同的能态,每一能态具有一定的能量。能量最低的态称为基态,能量高于基态的称为激发态。它们构成分子内部的各能级,高能量的激发态可跃迁到较低的能态,能量较低的能态也可吸收一定的能量跃迁到能量较高的激发态。电子激发态与基态之间出现跃迁,就会有吸收或发射特定波长的光,产生分子的电子光谱,分别对应着吸收光谱和发射光谱。

一言以蔽之,分子(也包括原子等)可以吸收或发射特定波长的光来改变能量状态。我们地球的大气,越往高空越稀薄,高空的分子、原子等吸收能量和释放能量的过程可以发光,就会产生极光。而光的颜色与光波长有关,故而极光的颜色会与这种过程有关。

绿色为最常见极光颜色

绿色的极光最为常见,但极光的颜色并不是只有绿色。

这就涉及到大气的电离和复合过程。在太阳紫外线、宇宙射线等的作用下,有些空气分子因失去电子而带正电,成为正离子;有些分子获得电子而带负电,成为负离子。这种中性大气分子获得电荷的过程,称为大气电离。这些离子、电子等带电粒子又可能在碰撞后重新变成中性,这种过程叫做复合。

随着海拔高度增高,大气逐渐稀薄,甚至不同成分分离,出现以氧分子(O2)甚至氧原子(O)、氮氧化物分子(NO)为主的高度。再通过这些电离等过程,出现一些带电粒子,包括氧离子(O+)、羟基自由基(OH-)等。

在最高海拔处,以原子氧为主,受激发的原子氧(O)跃迁时常发射波长为630纳米的光,呈现红色,极光的颜色就会呈现出红色。由于原子氧浓度很低,而人眼对这个波长的光的灵敏度低,所以只有在太阳活动很强烈的时期,才能看到红色的极光。

当海拔高度较低时,粒子碰撞频繁,抑制了形成红光的过程,受激发的分子氮(N2)通过碰撞将能量传递给氧原子(O),此时微观粒子的跃迁会发射波长为555.7纳米的光,极光主要呈现出绿色。

而当在这种情况下微观粒子跃迁较为平缓时,发射出的光波长仅为428纳米,呈现出的就是蓝色。

更为罕见的粉红色或黄色的极光是由绿光和红光的过程按一定比例混合,共同作用而成。

由于红色、绿色和蓝色是颜色加性合成的主要颜色,所以上述这些过程结合之后,理论上有可能出现几乎任何颜色的极光。不过以上几个颜色是主要的。

另外,极光也包含红外线和紫外线,不过它们都不是我们的肉眼能够识别的了。

(作者系中科院国家空间科学中心助理研究员)

责任编辑:范逸昕(EK004)

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