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极光的绚丽色彩从何而来 小小粒子有贡献

文章來源:科技日报 王铮   發布時間:2019-07-18  【字號:     】  

  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攝影作品。今年6月,她在国际空间站拍摄的极光照片也吸粉无数。

  極光通常出現在地球南北兩極附近地區夜間的高空中。它自古就因爲絢麗多彩而被留意、觀察和記錄。克裏斯蒂娜·H·科赫拍攝的極光照片呈現出綠色的光芒。人們也曾觀測到紅色、藍色等其他顔色的極光,甚至同時夾雜不同的顔色。

  那麽,極光爲什麽會有不同的顔色?不同的顔色背後又是什麽不同的物理過程?

  高空微觀粒子的能量躍遷遊戲

  通常認爲,極光是太空(太陽風或地球磁層)中的高能帶電粒子進入極區附近的高層大氣引發的自然現象。它因爲集中出現在兩極附近被稱爲極光。出現在南極的被稱爲南極光,出現在北極的被稱爲北極光。極光常常呈帶狀、弧狀、幕狀、放射狀。這些形狀有時穩定,有時連續在變化。

  近代的量子力學認爲,微觀粒子的能量常常是一份一份的,也就是“量子”,而不是連續變化的。按照量子力學基本原理,分子按其內部運動狀態的不同,可處于不同的能態,每一能態具有一定的能量。能量最低的態稱爲基態,能量高于基態的稱爲激發態。它們構成分子內部的各能級,高能量的激發態可躍遷到較低的能態,能量較低的能態也可吸收一定的能量躍遷到能量較高的激發態。電子激發態與基態之間出現躍遷,就會有吸收或發射特定波長的光,産生分子的電子光譜,分別對應著吸收光譜和發射光譜。

  一言以蔽之,分子(也包括原子等)可以吸收或發射特定波長的光來改變能量狀態。我們地球的大氣,越往高空越稀薄,高空的分子、原子等吸收能量和釋放能量的過程可以發光,就會産生極光。而光的顔色與光波長有關,故而極光的顔色會與這種過程有關。

  綠色爲最常見極光顔色

  綠色的極光最爲常見,但極光的顔色並不是只有綠色。

  這就涉及到大氣的電離和複合過程。在太陽紫外線、宇宙射線等的作用下,有些空氣分子因失去電子而帶正電,成爲正離子;有些分子獲得電子而帶負電,成爲負離子。這種中性大氣分子獲得電荷的過程,稱爲大氣電離。這些離子、電子等帶電粒子又可能在碰撞後重新變成中性,這種過程叫做複合。

  隨著海拔高度增高,大氣逐漸稀薄,甚至不同成分分離,出現以氧分子(O2)甚至氧原子(O)、氮氧化物分子(NO)爲主的高度。再通過這些電離等過程,出現一些帶電粒子,包括氧離子(O+)、羟基自由基(OH-)等。

  在最高海拔處,以原子氧爲主,受激發的原子氧(O)躍遷時常發射波長爲630納米的光,呈現紅色,極光的顔色就會呈現出紅色。由于原子氧濃度很低,而人眼對這個波長的光的靈敏度低,所以只有在太陽活動很強烈的時期,才能看到紅色的極光。

  當海拔高度較低時,粒子碰撞頻繁,抑制了形成紅光的過程,受激發的分子氮(N2)通過碰撞將能量傳遞給氧原子(O),此時微觀粒子的躍遷會發射波長爲555.7納米的光,極光主要呈現出綠色。

  而當在這種情況下微觀粒子躍遷較爲平緩時,發射出的光波長僅爲428納米,呈現出的就是藍色。

  更爲罕見的粉紅色或黃色的極光是由綠光和紅光的過程按一定比例混合,共同作用而成。

  由于紅色、綠色和藍色是顔色加性合成的主要顔色,所以上述這些過程結合之後,理論上有可能出現幾乎任何顔色的極光。不過以上幾個顔色是主要的。

  另外,極光也包含紅外線和紫外線,不過它們都不是我們的肉眼能夠識別的了。

  (作者:王铮,系中科院國家空間科學中心助理研究員)




(責任編輯:侯茜)

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