极光(Aurora)的颜色

2020-07-17 评论 905


对于生活在高纬度地区的人而言,极光是相当容易看到的夜间景象。但是对于住在台湾的人来说,可就是非常陌生的名词了。随着交通的进步,以及国际旅游的便 利,在前往

高纬度旅游时,顺便安排几个晚上到没有光害的户外碰碰运气,试试看能不能看到这样的景象,不仅可以提高整趟旅游的附加价值,也有机会增加一些出 国的惊喜。

虽然在网路上搜寻一下,就可以看到别人所拍摄的极光影像或影片,但是因为一般状况下极光并不是很亮,所以拍摄时需要曝光数秒钟甚至数分钟的时间才能累积足 够的光线。这些极光影像虽然可以显现出比肉眼直接看到更鲜艳的极光色彩,但过长的曝光时间也使得极光的细微构造被模糊掉了,就像是夜间拍照时没有开启闪光 灯或高感度功能,即使是用三角架将相机固定好,快速移动的被摄物体仍然会出现模糊的状况一样。所以,还是亲眼看到的感觉比较真实。

极光看起来到底是什幺样子?看一下「黑洞频率(Frequency)」这一部影片里的模拟画面,大概就会有个底。

除了细微结构让人想要亲眼目睹之外,极光多变的色彩也是吸引人的因素之一。要解释极光的颜色来源,就得简单认识极光的成因。

Anders Jonas Angstrom (1814-1874)是第一个经由观察极光的光谱,发现极光光谱与太阳光谱有很大的不同,证明了极光并不是反射太阳光所造成的人。但是极光真的和太阳有密切的关係!

极光(Aurora)的颜色

Anders Jonas Angstrom (1814-1874)

所谓的极光(Aurora),就是太阳发出的高速带电粒子(称为「太阳风」)沿着地球的磁力线进到较接近地面的大气层,与空气中的分子或原子交互作用,使得这些分子或原子的电子能量在不同能阶之间变化。电子接受到刚好的能量时,会让电子可以由较低能阶移至较高能阶。当这个电子又由高能阶掉回低能阶时,这些之前吸收的能量变成多出来的了,就会以电磁波的方式释放出来。如果所释放出来的电磁波在可见光的範围,那就是极光了!

因为极光是这样的成因,所以不同原子或分子的电子在不同能阶间的跃迁,就会发出不同颜色的极光。

极光(Aurora)的颜色

大气层中最多的氧与氮在地面附近多是以分子的状态存在,也就是所谓的氧气与氮气。距离地面大约100公里以内的区域,氮分子的电子较易受到太阳风粒子能量的影响,在不同能阶间改变,发出桃红色的极光。

随着高度增加到大约200公里,氧与氮会以氧原子与氮原子的状态存在。氮原子的电子受到太阳风粒子的影响,发出蓝色极光并释放出一个电子,这个被释放出来的电子又可以让氧原子电子发出绿色光。

当高度增加到200公里以上,太阳风粒子的能量可以让此处相对较多的氧原子发出红色极光。

因为上述原因,所以观测到的极光大多是红色与绿色。但是因为地面上的观测者看到极光的强弱,不仅和空气中的分子或原子数量有关,也和这些分子或原子与地面 的距离有关,所以整个综合的结果,绿色极光会是最常看到的,再来才是红色的极光。也因为高空与低空的环境会出现红色极光,所以极光的影像通常都是绿色极光 在中间,上下夹着红色极光。

当我们了解不同颜色的极光是不同状态下的电子,在不同能阶跃迁所发出来的单一波长的光,其彩度会特别的高,所以当你看到很亮的单一颜色极光时,其色彩应该是相当鲜艳的。

不过,极光不仅有这两个颜色而已,根据大气中分子与原子组成,以及太阳风粒子的能量,应该可以看到下图所示的蓝色甚至是紫色的极光。除了前面所提到与地面的距离等因素,人眼对于绿光、红光较为敏感,也是造成我们不容易看到紫色或蓝色极光的的主要因素。

极光(Aurora)的颜色

参考资料:
1. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211. … w/AuroraColors.html
2. http://odin.gi.alaska.edu/FAQ/
3. http://www2.gi.alaska.edu/asahi/color.htm