为什么太空拍摄的地球有一圈橙色泡泡?

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最近中国载人航天工程办公室官方发布了一组神舟十二号航天员在轨拍摄的高清大图,其中有三幅是这样:

大家可以看到照片中的地球被包裹一层美丽的橙色泡泡内。

这橙色泡泡是什么呢?它就是气辉(airglow)。

生活在大城市的人很可能从未见过这样色彩绚丽的气辉,因为城市里的灯光让夜晚总是呈现为一片寒冷的黑色浩瀚,散布着闪闪发光的小星星。天空中的气辉时时刻刻都有,只是它很微弱,很容易被其他光源,例如人造光、天体光、太阳和月亮所淹没。如果有人愿意跑到很偏的没有人烟的地方,用相机(甚至肉眼)都能捕捉气辉的美丽面孔。

什么导致气辉?

气辉是由大气上层中分子被强烈的太阳光线激发而释放的能量引起的。地球的大气层主要由氧和氮分子等组成。这些分子在被阳光激发时,因有多余的能量而分裂成原子或离子。

这些大气离子和原子存在于高空大气的电离层。电离层大约从离 60 公里开始,直到大气层最外层,不过边界部署特别明晰。

现在,这些离子和原子需要释放这些多余的能量。他们可以通过多种方式来做到这一点。最好的方法是如果它们与另一个原子碰撞,形成一个分子并在此过程中释放能量。这在低层大气中是可能的,因为这里的空气中充满了可以碰撞的分子。

然而随着离地球越远,大气层的密度会越低,原子之间相撞的可能性急剧下降。粒子在没有碰撞的情况下,保持能量足够长之后,它可以通过将其电子转移到较低能态(或具有较低能态的轨道)来释放这种能量。电子从高能态轨道跃迁到低能态轨道时,就会伴随释放特定波长的光子。

不同的分子发出光子波长不同,产生不同的气辉色调。这个过程称为化学发光,类似于荧光棒和萤火虫的发光。

气辉一直存在,无论是否可见。但白天由于太阳的强烈亮度而永远不会被看到,暮光在黄昏前后出现,亮度最高。在晚上出现被很有诗意地称为夜辉(nightglow)。

气辉有哪些不同颜色?

前面说到电离层的边界不是很清晰,它从约 50 公里高的中间层一直延伸到约 300 公里远。不同的高度,离子成分、离子浓度、太阳辐射强度、温度以及地球天气对该层的影响等等也不同,这些要素都会影响气辉的色彩。

地球表面上方约 50 至 60 公里处的钠层发出橙黄色光(波长约 590 纳米)。

OH 和氧分子可以发出紫蓝色(波长380 至 490 nm)或红色(波长650 至 700 nm)的色调。原子氧可以发出三种颜色:绿色 (波长508 nm)、橙红色 (629 nm) 和红色 (632 nm)。

极光和气辉的区别

气辉听起来让人感觉与极光差不多,后者是在地球磁极发生色彩绚烂的光线。然而,它们的发光原理并不相同。极光发生原理是:等离子体组成的太阳风(不同于太阳辐射)与地球磁极附近大气中的物质(磁层)相互作用。这意味着它们只出现在磁极附近。

气辉具有连续不断,也远没有极光那么强烈,但无论白天黑夜都有气辉辐射、不受纬度限制,只需找到一个几乎没有光污染的地方就能看见气辉。其机制是由太阳辐射激发电离层中的分子并随后通过释放光而恢复稳定的过程中而产生的。

来源:陈奎孚

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