揭开极光之谜
  • 来源:科普时报
  • 2019-03-01 09:59



一拍、二记、三问、四答!欢迎登上“科普·摄影·百科”问答大擂台,入选作品可荣获科普专家“一对一”亲自回答!今天分享一下中国科学院国家天文台研究员郑永春和北京市朝阳区八十中学生肖亦辰的精彩问答!

一拍:

拍摄时间:2018年2月5日

拍摄地点:美国阿拉斯加-费尔班克斯

作品名称:极光幻影

拍摄者:肖亦辰(13岁,北京市朝阳区八十中学生)

辅导者:摄影教师王景虎

拍摄工具:尼康D7200

二记:

在美国阿拉斯加的费尔班克斯地区,每年冬天是观看极光的最好时间。我们每天晚上10点钟到达极光观测点,当极光出现在天幕中的时候,整个夜空是绿色的。极光像一条彩带在夜空中飘荡。

三问 ·四答:

1. 极光是怎么产生的?

2. 极光为什么大多都是绿色的?

在地球上人烟稀少的极地地区,夜空中时常会有璀璨壮丽、千变万化的美丽光带划过,人们将这些光带称为“极光”。出现在北极的,人们称它为“北极光”,出现在南极,则被称为“南极光” 。

极光是怎么产生的?

极光是怎么形成的?“极光之源”到底在哪里?

科学家一般认为,极光的形成与太阳的活动、地球磁场以及高空大气等诸多因素都有关系,而太阳是极光之源。

太阳是一颗不断放射出大量光和热的恒星。在太阳内部巨大的压力和极高的温度条件下,太阳的主要成分——氢和氦这两种元素发生了复杂的核聚变反应,反应过程中的质量损耗,转化成巨大的能量,并产生出强大的带电粒子流;这些带电粒子以极大的速度射向空间,当它们抵达地球时,与地球大气层外围稀薄的气体分子发生碰撞,就会产生发光现象。

太阳活动有周期性的高潮,并在高潮的时候出现太阳耀斑的大规模爆发 。这时,太阳发射出的带电粒子流格外强大,激起的极光现象也格外壮丽。因此,太阳活动的强弱和极光出现的频率有很大关系。耀斑爆发时,太阳黑子也会增多,有人发现这样一种现象:当一个“大黑子”经过太阳中心的子午线时,往往在20至40小时以后,地球上就会发生极光。

极光为何多是绿色

我们知道,太阳中的带电粒子流和地球大气层的气体发生碰撞,就会产生极光。大气层的中不同气体成分在带电粒子的作用下,发出的光的颜色各不相同,所以极光才会绚丽多彩。

可是,绚丽的极光还是以绿色多见,这又是为什么呢?

高层大气中的分子或原子,在被来自太阳的高能带电粒子激发后,会释放出一定的能量。大气中气体成分虽多,但仍以氮气和氧气为主,二者的总和占到了地球大气层的99%,因此决定极光颜色的,主要就是氮气和氧气。氧原子有8个电子,不同轨道上的电子具有不同的能量,离原子核越近的轨道,电子的能级越低。

在正常状态下,氧原子的电子处于最低能级,即电子在离核最近的轨道上运行。然而,当来自太阳的高能粒子撞击地球大气层顶部的氧原子时,内层电子就能从中获取能量,跃迁至能级更高的轨道。这种状态叫作激发态,是极不稳定的。处于激发态的电子很容易回到靠近原子核的轨道上,并将此前获得的能量重新释放出来。而释放能量的方式有很多种,主要分为辐射跃迁和无辐射跃迁两种。辐射跃迁就是指以光子的形式释放能量,无辐射跃迁就是不会发出光子,而是通过碰撞等形式将能量传递给其他分子或原子。

在距离地面10万~15万米的高空中,被激发的电子在回到靠近原子核的轨道之前,还可以逗留在一个亚稳定的状态(第一激发态),并放出绿光。在距离地面15万~25万米的高空中,如果电子吸收的能量只够它跃迁至第一激发态,没办法跃迁至更高的能级,那么,电子在回到靠近原子核的轨道时,会发出红光。这也就是为什么在中等海拔的地方,极光多以绿色为主;在高海拔的地方,极光多以红色为主;在低海拔的地方,极光多以红色或蓝色为主。


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