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美得令人屏息 極光的顏色

文、圖/洪家輝 轉載自馬可孛羅《給未來的極光旅人:二十年專業嚮導帶你圓極光夢》
極光的出現通常發生在地表上方100至1,000公里的高度之間。

靠近地表的大氣組成以78%的氮分子和21%的氧分子為主,其餘1%則為二氧化碳、氦、氫、甲烷、氬、氖、氙等其他氣體,直到100公里左右的高度幾乎都是如此。在大氣層最高約500、600公里以上的部分,氫和氦原子含量相對較高,但發出的極光譜線較弱。由此高度降到約200公里,氧原子含量最高;100至200公里高度範圍內,氮分子占大多數,其他則以氧原子和氧分子最多;由100公里高度以下到極光產生最低高度的60、70公里之間,氧分子和氮分子占絕對多數。

極光的顏色是由不同種類的氣體(亦即呈原子、分子或離子狀態)的性質來決定的。極光的出現通常發生在地表上方100至1,000公里的高度之間,有時最低在80公里左右,一個極光可以高達數百公里,約有1公里厚。光的顏色是以光的波長來描述的,這是因為光是由光子(Photon)這個可量化的單位組成,每個光子就是一個特定波長,不僅能夠說明它是哪種顏色,也指出了它所攜帶的確實能量。知道了光子的波長與能量之間的關係,對於了解進入大氣層的帶電粒子撞擊高層大氣中一個氣體原子所產生的極光有相當助益。

最常見 綠色極光

我們看到的大多數極光是由氧原子和氮分子產生出來的,氧原子能產生最常看到、且是極光中最明亮的單一綠色譜線,其波長正位在人類眼睛最敏感的部分。當氧原子與受激發的氮分子碰撞,會從基態被激發至高能階,接著在它與其他大氣粒子碰撞前喪失其能量、回到第一能階時,會放射出綠色的光子。較低層的大氣密度較濃,粒子間的碰撞也較常發生;而較高層的大氣密度相對較稀,可以讓一些氧離子經由放射出一個紅色光子而回復到其基態。如果原來的氧原子受到一個低能量電子激發,也能放射出紅色光子。由於綠色光的波長最符合人的眼睛,所以我們最常看到的是綠色極光,也有不少人會誤以為極光只有綠色的。

不常見 紅色極光

一片血紅瀰漫整片天空,紅色極光帶給人震撼感。

出現在一個極光上部的紅色有時也會出現在下部,但不常見,那是由氮產生的。在90公里左右的高空,氮分子的分布相當普遍,當一個擁有比產生綠色極光的電子還多1,000倍能量的電子來到這個高度,與氮分子碰撞時,即將它激發至第一能階,在氮分子回復到基態時就會放射出四種不同色調的紅光。一片血紅瀰漫整片天空的紅色極光看起來相當震撼,以前的人還曾把紅色極光當成戰爭和疾病的一種預示。

罕見 黃色、紫色、藍色、粉紅色極光

肉眼不容易看到通常都太暗的紫色極光。

除了綠色和紅色之外也會出現其他顏色的極光,例如紅色和綠色極光重疊就能產生明亮的黃色極光。在1,000公里的高度上,氮分子受到太陽紫外線的照射會失去一個電子成為氮離子,當太陽風的帶電粒子與它碰撞時,就會產生紫色或藍色極光。在80或100公里的高空也找得到氮離子,太陽風的帶電粒子若能來到此處與它碰撞時,會放射出紫色光子。當位在80與100公里高空之間的氮分子受到一個高能量電子撞擊時,也能產生粉紅色極光。可惜的是,以肉眼根本看不到通常都太暗的紫色與藍色極光,不過,倘若極光的活動較激烈的話,肉眼是有可能看到粉紅色極光的。

人的肉眼比較難看到藍紫色極光,不過就算覺得眼前只有綠色極光,還是可以盡量使用相機拍攝,常會有不期而遇的驚喜出現喔!(本篇節錄自馬可孛羅《給未來的極光旅人:二十年專業嚮導帶你圓極光夢》,並經重整後刊出)

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