科学的科普（18）微观物理（4）射线对气体的影响D极光

张武昌2025年2月6日星期四（大年初九）

上一节讲了极光原理，

极光是来自宇宙空间（主要是太阳）的带电粒子和空气冲撞造成的发光现象。来自空间的带电粒子在地球磁场的作用下形成了两个环绕地球的范艾伦带van Allen belt，内带inner belt和外带outer belt像两层洋葱一样包裹着地球。

内带距离地表的高度为1000-5000 千米，外带距地表15000-25000千米。内带中主要是电子，外带中主要是质子。内带和外带中的粒子不断被太阳风补充，也不断从带中被释放（或逃逸），沿着磁力线引导进入大气层，形成伯克兰电流，在伯克兰电流经过的地方即出现极光。

带电粒子（离子）冲击大气发光的原理是带电粒子将原子中的电子撞了一下，增加了原子内部电子的能量，使其从基态（稳定态）进入激发态（不稳定，电子的能级提高），经过一番努力，这个处于激发态的电子将能量以光子的形态释放掉，返回到基态。那些释放的光子就是我们看到的极光和看不到的紫外线等。

这一节我们看极光的千变万化。

（电子）极光的颜色

极光的颜色是由带电粒子和大气成分的不同组合造成的。带电粒子在外带是电子，内带是质子，它们造成的极光分别被称为电子极光electron aurora（即通常所称的极光）和质子极光proton aurora。

我们看到的极光是范艾伦带内带中电子和大气作用形成的，即电子极光。电子的能量高达10000电子伏。这些初级电子冲击大气分子和原子，将分子和原子的电子剥离出来，产生更多的电子称为次级电子和三级电子，只要花费35电子伏的能量就可以使分子和原子电离。  初级电子可以到达地表100千米高度，而能量较低的二级和三级电子是产生极光的主要贡献者。

在大气层的最顶端（距离地表约500千米高处），氢与氦原子占了大部分；不过气体过于稀薄，极光十分微弱，肉眼不易看到。

距离地表200-500千米之间，氧原子的数目最多；

距离地表100-200千米之间，则是氮分子的数目最多，其余主要是氧原子和氧分子；

距离地表60-100千米主要由氧分子和氮分子构成。

电子主要和氧原子产生633纳米波长的红光，和氧原子产生558纳米波长的绿光，和氮分子产生391纳米波长的和428纳米波长。

初级电子的能量较低时，极光主要是氧原子发出的波长为630纳米的红光，位于250 千米高度。由于原子氧浓度很低，而人眼对这个波长的光的灵敏度低，所以只有在太阳活动很强烈的时期，夜晚出现这种颜色的极光才容易看到。

当初级电子的能量较高时，极光主要是氧原子发出的绿光，高度降低到90 千米。在150千米以下，空气分子密度增大，粒子和空气分子原子碰撞频繁，这时碰撞会影响极光颜色。由于氧原子第一激发态的生命期长达110秒，在这段时间内如果受到其他原子撞击，就会失去能量而无法放出波长630纳米的红光。在200公里以上的高空，碰撞频率很低，所以影响不大，但是在比较低的高度，红色光就明显受到抑制。  此时，受激发的分子氮（N2）通过碰撞将能量传递给氧原子，然后氧原子辐射波长为558纳米的绿光。

蓝色：海拔较低的地方分子氮和分子氮的离子在某些极光过程中占据主导地位，其中428纳米波长的蓝光是主要的颜色。

由于红色、绿色和蓝色是颜色加性合成的主要颜色，这些颜色组合可以生成任何颜色的极光。例如粉红色或黄色就是由绿光和红光按一定比例混合而成。

另外，极光也包含红外线和紫外线(质子极光），不过它们都不是我们的肉眼能够识别的了。

Aurora oval 极光椭圆

因此，极光在地球球面的位置就是范艾伦带与球面相交的位置。

如果没有太阳风，地球的磁场就是均匀的磁场，范艾伦带与球面相交成一个以磁极为圆心的规则的圆形。

但是，事实不是如此，太阳风对地球磁场进行了拉扯，称为地磁扰动 geomagnetic disturbance。在向日端（左图的左端）范艾伦带向磁极靠近，而背日端（左图的右端）范艾伦带远离磁极，结果形成了下图右图中处于白天的半球和黑天的半球被昼夜线压缩，中心位置也向黑天半球移动，形成椭圆形，而且午夜区域的极光最强。

所以在任意一个时刻，地球上的两极都有极光（白天区域由于日照的原因不能观测），极光的形状是一个椭圆，称为极光椭圆auroral oval。

从太空中看，极光椭圆就是一个以地磁极为核心的椭圆，

极光的形状及其日变化

极光是由伯克兰电流引起的，因此在极光椭圆内，伯克兰电流对极光的细节有影响。伯克兰电流很复杂，原理很难懂，部分细节的原理还没有搞清楚，读者只要知道大的框架性的知识即可。如下图所示，在极光椭圆的任何一部分，都有两股垂直地表与磁力线平行的电流，以磁极为中心，

在极光椭圆的A处，自太空进入地表的电流在大气高层被反射折射沿地表高层大气平行地表穿过磁极进入与A对应的极光椭圆A’处然后向上射入太空，即下图中的浅黄色部分所示。

在上述这一电流的外侧，有着方向相反的电流。

这一电流对在极光椭圆的排列如下图所示，在地球任意时刻，极光椭圆中各个部分的电流方向不同，在正午12点到夜间12点（下图左边）的位置，外侧电流指向太空，夜间12点（零点）左右，内外两个电流交换位置。

与伯克兰电流的空间时间格局相对应， 极光的形状如下图所示，也有相应的变化。

在地磁场不受扰动的情况下，在任意时刻，极光椭圆中刚进入夜间的部分的极光是两条带，或只有一条带（一条较弱看不清晰）。

处于午夜的区域极光受到很大的扰动，会缠绕纠结，形成多个条带 multiple arcs aurora。

午夜过后，黎明之前，极光没有明显的形状，在分类学上（https://auroralzone.org/tutorial/1）称为离散极光diffuseaurora

或极光斑块极光patchy aurora。

下一节讲极光的长期变化。