擂台问答
极光为啥多是绿色的？
2019-01-22
以下文章来源于百科全书不知道，作者肖亦辰
郑永春
擂台PK赛
科普·摄影·百科问答大擂台启动以来，全国各地一拍二记三问来稿包罗万象，我们的科普擂主也见招拆招。今天开始，我们筛选一些精彩照片和问答，分享给大家！今天登上擂台的是——擂主攻擂一拍
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
摄影作者：肖亦辰（13岁，北京八十中）
摄影辅导：摄影教师-王景虎
拍摄工具：尼康D7200
每一座科普基地，都是一部百科全书。每一双好奇的眼睛，都是一部发现世界的镜头！科普·摄影·百科问答大课堂，是中国大百科全书出版社发起，北京科委科普资金支持的青少年科普摄影活动，旨在鼓励更多青少年透过镜头，发现未知的科学世界！
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。我们每天晚上十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。
1. 极光是怎么产生的？
2. 为什么极光发生在两极？
3. 极光为什么大多是绿色的？
擂主回复
极光是怎么产生的？
答：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。科学家们一般认为，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，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。
为什么极光发生在两极？
答：地球内部的流体运动产生了强大的地磁场，从太阳上飞过来的带电粒子流在接近地球时，由于受到地磁场的影响，就会以螺旋形的运动方式飞向两个磁极。地球的磁层，实际上是用地球磁场的磁力线编织起来的保护伞，它包裹着整个地球，保护着地球上的生物，使它们免受太阳风粒子的袭击。
不过这张网并非想像中那么结实，在南北极的上空就出现了较大的间隙，使得一部分太阳风乘虚而入，进入了地球磁场的磁尾，这就是为什么极光现象多被控制在两极地区的上空。
极光为什么大多是绿色的？
答：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（60千米～150千米），极光多以绿色为主；在高海拔的地方（150千米以上），极光多以红色为主。
极光是一种十分美丽的自然现象，笔者周围就有这样的摄影爱好者，他们每年都会远涉重洋，到极地荒漠去亲近自然，留下极光绚丽多彩的画面。相比摄影师，科学家们更感兴趣的，是极光背后的秘密，它们是如何形成的，又是如何变化的，这一谜题一直吸引着科学家前往探索，直到谜底被彻底揭开的那一天。
郑永春
中国科学院国家天文台研究员
青年科学家社会责任联盟理事长
科普中国形象大使
科普基地百科
国家天文台
中国科学院国家天文台成立于2001年4月，总部设在北京。建有光学天文、太阳活动、月球与深空探测、空间天文与技术、计算天体物理、天文光学技术、天体结构与演化、FAST重点实验室等八个院重点实验室，并与二十余所大学、科研机构或高新技术企业建立了战略合作关系，成立联合研究中心或实验室。
国家天文台负责调试和运行国家重大科技基础设施——500米口径球面射电望远镜（FAST），运行和维护国家大科学装置——郭守敬望远镜（大天区面积多目标光纤光谱望远镜，LAMOST)，拥有2.16米光学望远镜、2.4米光学望远镜、50米射电望远镜、40米射电望远镜、25米射电望远镜、1米太阳塔等一批天文观测设备。
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