极光颜色从绿到红的变化之谜：不同高度大气粒子与太阳辐射的作用-葬花

极光颜色的变化，特别是从绿色到红色的转变，确实是一个迷人的现象，其核心秘密就在于不同高度的大气成分、大气密度（碰撞频率）以及太阳高能粒子的能量这三者的相互作用。以下是详细解释：

大气成分是关键：

氧气（O）： 是产生绿色和红色极光的主要气体。
- 绿色（557.7纳米）： 由激发态的原子氧（¹S态）在跃迁回基态时发出。这个激发态的寿命相对较长（约0.7秒）。
- 红色（630.0纳米）： 由另一种激发态的原子氧（¹D态）跃迁回基态时发出。这个激发态的寿命非常长（约110秒）。
氮气（N₂）： 主要产生蓝色、紫色和深红色极光。
- 蓝色/紫色（391.4纳米，427.8纳米等）： 由电离的氮分子离子（N₂⁺）在复合时发出。
- 深红色（650-680纳米范围）： 由激发态的中性氮分子（N₂）发出。这些激发态寿命非常短（纳秒级）。

高度决定密度和碰撞频率：

高高度（200公里以上）：
- 大气非常稀薄。
- 粒子碰撞频率非常低。
- 激发态的原子氧（尤其是寿命长的¹D态，发红光）有足够的时间完成辐射跃迁（发出光子），而不会在碰撞中损失能量。
- 因此，这个高度主要产生红色（630.0纳米）极光。 这是“高层红”。
中高度（约100公里 - 200公里）：
- 大气密度适中。
- 原子氧的¹S态（发绿光）寿命虽然比¹D态短，但在这个高度，碰撞频率还不至于高到完全淬灭其辐射。它有机会发光。
- 原子氧的¹D态（发红光）则因为碰撞频率增加，其长寿命反而成了劣势。在它有机会发光之前，很可能就在碰撞中损失了能量（淬灭）。
- 因此，这个高度是绿色（557.7纳米）极光最常出现和最强的地方。 这是最常见的极光颜色。
低高度（100公里以下）：
- 大气非常稠密。
- 碰撞频率极高。
- 几乎所有原子或分子的激发态（尤其是寿命长的）在发光前都会被碰撞淬灭掉。
- 只有那些寿命极短的激发态才有机会发光。氮分子（N₂）的激发态和电离态寿命极短（纳秒级），在高碰撞频率下反而有机会发光。
- 因此，这个高度主要产生由氮气贡献的蓝色（427.8纳米）、紫色（391.4纳米）以及深红色（650-680纳米）光带。 当太阳粒子能量很高，能深入低层大气时，就会看到这些颜色，尤其是极光活动剧烈时底部的紫红色镶边。

太阳高能粒子的作用：

能量决定穿透深度： 来自太阳风（主要是电子和质子）的高能粒子被地球磁场引导到极区。这些粒子的能量决定了它们能穿透大气层的深度。
- 低能量粒子： 只能到达高层大气（>200公里），主要激发那里的原子氧，产生红色（630.0纳米）光。
- 中等能量粒子： 能穿透到中层大气（100-200公里），激发原子氧产生绿色（557.7纳米）光。这是最常见的情况。
- 高能量粒子： 能深入低层大气（<100公里），激发氮分子（N₂和N₂⁺），产生蓝色、紫色和深红色光。这通常发生在太阳活动剧烈（如日冕物质抛射后）时。
粒子类型： 虽然电子是产生可见极光的主要粒子，但高能质子也能激发大气，产生特定波长的光（如氢原子发出的Hα红光，486.1纳米蓝光），有时在质子极光事件中可见。

总结“绿变红”的奥秘：

从高空到低空的颜色变化：

当你看到极光从高到低呈现红 -> 绿 -> 紫红/蓝的垂直分层时：
- 顶部红： 是高空（>200公里）稀薄大气中原子氧（¹D态）发出的红光（630.0纳米），因为碰撞少，长寿命激发态得以发光。
- 中部绿： 是中空（100-200公里）原子氧（¹S态）发出的绿光（557.7纳米），碰撞频率适中，允许其发光。
- 底部紫红/蓝： 是低空（<100公里）稠密大气中氮分子（N₂和N₂⁺）发出的光（蓝、紫、深红），因为只有这些短寿命激发态能在高碰撞频率下发光。

同一高度颜色随时间变化：

当太阳活动突然增强（如耀斑爆发后），更高能量的粒子会大量涌入。
这些高能粒子能穿透得更深，直达通常被绿色主导的中低层。
在中等高度（100-200公里）：
- 原本主导的绿色（氧原子）可能被“淹没”或相对减弱。
- 高能粒子在该高度激发氮分子，产生显著的深红色（650-680纳米）光，覆盖在绿色之上或与之混合。
- 同时，高能粒子也能激发该高度原子氧的¹D态（红光630纳米），虽然效率不如高空，但也贡献红色。
结果： 原本绿色的区域变红，或者呈现出红绿混合的黄色/橙色。这就是为什么在强地磁暴期间，极光不仅更亮、范围更大，颜色也常从绿色变为红色或出现更多红色斑块/幕帘的原因。此时的“红”主要是氮分子深红和/或中低层氧原子红光（630纳米）的贡献，与高空的“红”（纯粹氧原子630纳米）来源不同。