極光的顏色：是什么導(dǎo)致了它們，為什么它們會(huì)變化？ _極光

極光的顏色取決于大氣成分和高度。(圖片鳴謝:RANA UMAIR / 500px via Getty Images)
據(jù)美國太空網(wǎng)（黛西·多布里耶維奇）：極光，也被稱為北極光或南極光，是一種令人驚嘆的自然現(xiàn)象，幾千年來一直吸引著人類。
這一引人注目的奇觀發(fā)生在地球的兩極附近，表現(xiàn)為炫目的舞蹈光，是由太陽粒子和我們地球的大氣層之間的相互作用造成的。極光有各種各樣的顏色——從綠色到粉色到藍(lán)色和紫色——讓天空觀察者既著迷又迷惑。
但是這種極光瘋狂是有方法的。在這本綜合指南中，我們深入探究極光顏色背后的科學(xué)，并探索是什么產(chǎn)生了這些著名的天空秀。
在我們討論極光的不同顏色之前，讓我們先快速提醒自己極光是如何形成的。
極光是由來自太陽的高能粒子以高達(dá)4500萬英里/小時(shí)(7200萬公里/小時(shí))的速度撞擊地球高層大氣造成的。然后地球磁場將粒子重新導(dǎo)向北極和南極。
帶電粒子隨后進(jìn)入地球大氣層，激發(fā)氣體原子和分子，產(chǎn)生極光。這個(gè)過程類似于霓虹燈的工作原理:當(dāng)分子和原子被電子“激發(fā)”時(shí)，它們必須返回到原始能量(基態(tài))，并通過釋放光子(光)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn) 。霓虹燈的顏色取決于燈管內(nèi)的氣體混合物，就像極光的顏色取決于大氣中的氣體混合物一樣。
地球的大氣層大約由78%的氮?dú)狻?1%的氧氣、0.93%的氬氣和0.04%的二氧化碳組成。我們的空氣中還含有微量的氖、氦、甲烷、氪、臭氧和氫，以及水蒸氣。
下面幾節(jié)將探討大氣成分和太陽粒子與這些氣體碰撞的高度如何在決定極光的顏色中起著至關(guān)重要的作用。
綠色極光

冰島瓦特納朱古勒冰帽，布雷達(dá)梅爾朱古勒冰川，朱古勒冰川瀉湖上方的綠色極光。(圖片來源:北極圖片來源:蓋蒂圖片社)
最常見的極光顏色是綠色。
根據(jù)加拿大航天局(CSA)的說法，綠色極光通常是在帶電粒子與地球大氣中高濃度的氧分子在大約60至190英里(100至300公里)的高度碰撞時(shí)產(chǎn)生的。
我們也比其他顏色更容易看到綠色極光，因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色光譜最敏感。
紅色極光

綠色極光帶主要由上面的明亮的猩紅色極光帶構(gòu)成，背景是星星。2023年2月16日，加拿大攝影師邁克·麥克爾蘭在魁北克拍攝到罕見的紅色極光。(圖片鳴謝:邁克·麥克爾蘭)
紅色極光出現(xiàn)的頻率相對(duì)較低，通常與強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)有關(guān) 。
根據(jù)CSA的說法，它們發(fā)生在太陽粒子與氧氣在較高海拔發(fā)生反應(yīng)時(shí)，通常在180至250英里(300至400公里)左右。
在這個(gè)高度，氧氣濃度較低，并以更高的頻率或波長被激發(fā)，使紅色可見。紅色極光經(jīng)常出現(xiàn)在畫面的較高邊緣。
藍(lán)色和紫色極光

綠色、藍(lán)色和紫色的絲帶穿過天空，像五彩繽紛的光幕一樣指向星空。在挪威拍攝的藍(lán)紫色極光。(圖片來源:marouan touil via Getty Images)
藍(lán)色和紫色極光更不常見，也往往出現(xiàn)在太陽活動(dòng)頻繁的時(shí)期。
據(jù)極光旅游公司“極光地帶”稱，這些顏色是當(dāng)太陽粒子在60英里或更低的高度與地球大氣層中的氮?dú)馀鲎矔r(shí)產(chǎn)生的。
藍(lán)色和紫色的極光傾向于在影像的下部可見。
黃色和粉色極光

遠(yuǎn)處的一個(gè)島嶼映襯著布滿極光的星空，一條黃色的光帶靠近地平線，上面出現(xiàn)了明亮的粉紅色極光。塔斯馬尼亞島貝齊島上空的南極光。(圖片來源:追光攝影，由詹姆斯·斯通·james-stone.com通過蓋蒂圖片社提供)
黃色和粉紅色的極光很罕見，通常與太陽活動(dòng)頻繁有關(guān) 。這些顏色是由紅色極光和綠色或藍(lán)色極光混合而成的。
太陽活動(dòng)的作用
太陽活動(dòng)，包括太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射，在決定極光顯示的強(qiáng)度、顏色和頻率方面起著重要作用。在太陽活動(dòng)頻繁的時(shí)期，地球大氣層受到大量太陽粒子的轟擊，增加了更多充滿活力和各種極光顏色的可能性。
太陽的活動(dòng)以11年為一個(gè)太陽周期波動(dòng)，活動(dòng)高峰期被稱為太陽活動(dòng)高峰期。在當(dāng)前的第25個(gè)太陽周期中，太陽活動(dòng)正在增加，科學(xué)家預(yù)測這將在2025年達(dá)到峰值。
極光顏色常見問題專家解答
我們問了伊麗莎白·麥克唐納博士一些關(guān)于極光顏色的常見問題。
伊麗莎白·麥克唐納博士空間物理學(xué)家
伊麗莎白·麥克唐納博士是美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的空間物理學(xué)家，也是公民科學(xué)網(wǎng)站極光龍的創(chuàng)始人之一。
為什么出現(xiàn)在低緯度的北極光是紅色的？
兩個(gè)原因:第一，紅色出現(xiàn)在海拔較高的地方，因此可以在離兩極較遠(yuǎn)的地方看到:有時(shí)你所看到的只是地平線上紅色的上邊緣。其次，在非常大的風(fēng)暴期間，還有另一種極光，主要是紅色的，發(fā)生在低緯度地區(qū) 。
由于地球大氣中的氮比氧多，為什么氮引起的藍(lán)色/紫色極光不是最常見的？
極光出現(xiàn)的高度如此之高，以至于我們所熟悉的空氣混合物與100公里處的不一樣。那里的大氣密度要小得多，并因重力而分層。氮層位于氧層之上。
最稀有的極光顏色是什么？
這很難說，因?yàn)闃O光顏色混合在不斷變化的化學(xué)混合物中，這就是為什么你可以看到一些罕見的顏色。