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，一次巨大的极光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，极光海浪到达地球，极光世界各地的极光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，极光但本周末，极光它被发现时南至北半球的极光夏威夷，北至南部的极光麦凯。
这种壮观的极光极光活动高峰似乎已经结束，但如果你错过了，极光不要担心。极光太阳正接近其11年太阳黑子周期的极光峰值，强烈的极光极光可能会在未来一年左右再次出现。
如果你看到了极光，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。