为什么极光的颜色不同？
新西兰皇后镇夜空中的极光（图片来源：uux.cn盖蒂图片社Skyimages）
（神秘的地球uux.cn）据美国生活科学网站（蒂莫西·施密特）：上周，一次巨大的太阳耀斑将一股来自太阳的高能粒子从太空中喷涌而出。周末，海浪到达地球，世界各地的人们都欣赏到了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，它被发现时南至北半球的夏威夷，北至南部的麦凯。
这种壮观的极光活动高峰似乎已经结束，但如果你错过了，不要担心。太阳正接近其11年太阳黑子周期的峰值，强烈的极光可能会在未来一年左右再次出现。
如果你看到了极光，或者任何一张照片，你可能会想知道到底发生了什么。是什么让极光发光，以及不同的颜色？答案是关于原子，它们是如何被激发的，以及它们是如何放松的。
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。这些物质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。
地球磁场保护我们大气层的大部分免受带电粒子的涌入。但在两极附近，它们可以潜入并造成严重破坏。
地球大气层中约有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。
2024年5月的极光也出现在意大利北部的艾米利亚-罗马涅地区。CC BY-NC-SA（图片来源：uux.cn/Luca Argalia/Flickr）
当高速电子撞击高层大气中的氧分子时，它们会分裂氧分子（O₂) 转化为单个原子。来自太阳的紫外线也能做到这一点，产生的氧原子可以与O反应₂ 产生臭氧的分子（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不稳定的方式排列，可以通过以光的形式释放能量来“弛豫”。
什么使绿光亮起？
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，钡原子发出绿光，钠原子发出黄橙色，这在老式路灯中也可以看到。这些发射是量子力学规则“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，它只在那里停留约170亿分之一秒，然后发射出一个黄色-橙色的光子。
但是，在极光中，许多氧原子是在激发态产生的，没有“允许”的发光方式来放松。然而，大自然找到了一条路。
2024年5月11日，从塔斯马尼亚州的奥特兰可以看到澳大利亚极光。（图片来源：uux.cn/AAP Image/Ithan James）
主导极光的绿光是由氧原子发出的，氧原子从一种称为“S”的状态松弛到一种称“D”的状态。这是一个相对缓慢的过程，平均需要将近一整秒钟的时间。
事实上，这种转变非常缓慢，通常不会在我们在地面看到的那种气压下发生，因为被激发的原子在有机会发出可爱的绿色光子之前，会因为撞到另一个原子而失去能量。但在大气的上游，空气压力较低，因此氧气分子较少，它们在相互碰撞之前有更多的时间，因此有机会释放光子。
因此，科学家们花了很长时间才发现极光的绿光来自氧原子。钠的黄橙色发光在19世纪60年代就已经为人所知，但直到20世纪20年代，加拿大科学家才发现极光的绿色是由氧气引起的。
红光是什么造成的？
绿光来自所谓的“被禁止”跃迁，当氧原子中的电子从一种轨道模式跳到另一种轨道时，就会发生这种跃迁。（禁止的转换比允许的转换可能性小得多，这意味着它们需要更长的时间才能发生。）
然而，即使在发出绿色光子后，氧原子也会发现自己处于另一种不允许弛豫的激发态。唯一的逃生途径是通过另一种被禁止的过渡，即从？D状态到？P状态，后者会发出红光。
可以说，这种转变更是被禁止的，而且在它最终打破规则并发出红灯之前，D状态必须存活大约两分钟。由于需要很长时间，红光只出现在高海拔地区，在那里与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气，红光往往只出现在强烈的极光中——就像我们刚刚经历的那样。
这就是为什么红光出现在绿光之上的原因。虽然它们都起源于氧原子被禁止的弛豫，但红光的发射速度要慢得多，在较低的海拔高度与其他原子碰撞时被熄灭的几率更高。
其他颜色，以及为什么相机能更好地看到它们
绿色是极光中最常见的颜色，红色是第二常见的颜色。特别是电离的氮分子（N₂⁺, 缺少一个电子并且具有正电荷）可以发射蓝光和红光。这可以在低空产生品红色色调。
如果极光足够明亮，所有这些颜色都是肉眼可见的。然而，它们在相机镜头中显示的强度更大。
这有两个原因。首先，相机具有长曝光的优点，这意味着它们可以比我们的眼睛花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图片。
第二个原因是，我们眼睛中的颜色传感器在黑暗中工作不太好，所以我们在弱光条件下往往会看到黑色和白色。相机没有这个限制。
不过不用担心。当极光足够明亮时，肉眼就能清楚地看到极光的颜色。
这篇经过编辑的文章是根据知识共享许可从The Conversation重新发布的。
