光在不同的环境、不同的气候、不同的时间会呈现多种色彩的变幻,科学家发现,极光呈现的颜色是由以下四个因素决定的：(1)入射粒子的能量；(2)大气中的原子和分子在不同高度的分布状况；(3)大气中原子和分子本身的特性；(4)大气的密度不均匀,基本上越接近地表密度越高。
入射粒子的能量高低决定了粒子能够冲入大气的深度,因此决定了极光产生的高度；而大气成分随高度的变化决定了入射粒子可能会撞击到哪种原子或分子,因此决定了可能发出的极光波长。此外,大气粒子本身的特性也很重要,这些特性直接决定所发出光的颜色。
另外,大气密度也会影响极光的颜色。由于高层大气密度较低,发光的过程不会受到原子和分子彼此碰撞的干扰。不过,距离地表越近,大气密度越高,分子之间的撞击较为频繁,这会使得某些波长的光不容易产生。
决定极光颜色的主要因素之一,就是不同种类分子在大气中的垂直分布状况。接近地表处,大气的组成十分均匀,78%是氮分子,21%氧分子,这样的组成直到高度约100公里为止都是如此。在更高之处,来自太阳的高能紫外线会将大气分子分解成原子,不同种类的原子受到重力影响而产生不同的分布,较轻的原子会分布在上层。
在大气层的最顶端,也就是约在距离地表500公里处,氢与氦原子占了大部分；距离地表200～500公里之间,氧原子的数目最多；在100～200公里之间,则是氮分子的数目最多,其余主要是氧原子和氧分子；60～100公里主要由氧分子和氮分子构成。
知道了以上大气的分布,你就能猜到,高度介于60～100公里的极光,主要的光应该来自氧和氮分子；100～200公里的极光主要由氮分子和氧原子所贡献；在200公里以上,极光主要来自氧原子,少部分来自氮分子；在大气的最高层,氢与氦原子也会产生极光,不过这些光十分微弱,肉眼不容易见到。
大气的密度也是决定极光颜色的重要因子之一。在地表附近,每立方厘米的空气约有高达10的19次方个分子。大气密度随着高度而降低,在距离地表50公里处,密度下降1000倍。到了100公里处,密度更是比海平面降低200万倍。不过,到了200公里的高空,每立方公分仍然有100亿颗(10的10次方)气体粒子。相比之下,太阳风粒子的密度仅为大约每立方厘米5颗。
尽管150公里以上的高空仍然有许多气体粒子,粒子之间的撞击已经不像低空那样频繁。碰撞会影响极光颜色,这是由于撞击会把处于激发状态的原子或分子的能量夺走,而这能量原本是会放射出特定颜色的光。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6300埃的红光。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。
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