俄罗斯科学家揭开了神秘蓝色极光背后的秘密

要想看到蓝色极光，得费一番功夫。我们的眼睛在黑暗中本来就很难分辨蓝色和浅蓝色。

古希腊人就已经知道极光的存在——从以亚里士多德为首的最早一批物理学家，到此后一千五百年间的后人，极光一直令他们困惑不解。

1743年，米哈伊尔·罗蒙诺索夫写下了著名的诗篇《晨思神之威严》，其中有这样的句子：

这位学者在短短几行诗中，概括了当时关于极光本质的两种主要假说。

一派物理学家认为，太阳仿佛从地平线后方照亮了大气层（“莫非太阳在那里安置了自己的宝座”）。这个想法并不愚蠢：六月夜间的银光云正是这样发光的。但它是错误的。

另一派则认为，在极度严寒之时冰层破裂，因而发出光芒（“莫非是冰在向大海抛洒火焰”）。这也有合理之处：正如我们今天所知，晶体在发生形变时确实会发光。

罗蒙诺索夫对这两种假说都不满意。他倾向于认为极光具有“电的本质”，而他走在了正确的道路上。当然，在他那个时代，人们对电的了解大致相当于我们今天对暗物质的了解：它存在，仅此而已。这位俄罗斯科学家的直觉因此更加令人惊叹。

今天，即便是学识渊博的中学生也知道：从太空飞来的电子与空气原子碰撞，使它们发光。但这只是大致情况。在细节方面，许多问题仍然不清楚。

过去几年里，俄罗斯人——不仅是北方居民，还有莫斯科、梁赞甚至顿河畔罗斯托夫的居民——都目睹了几次极端极光现象。极光尤其喜欢在太阳活动极大期之后不久笼罩地球。我们在2024年秋季越过了极大期。所以现在正是时候。

但人们潜意识里期待的是“教科书上的画面”：绿色的光带和光纹铺满整个天空。然而许多地区的极光却是……红色的。于是人心浮动，阴谋论四起：太阳“出故障了”，所以极光才是阴森的红色。

科学家不得不解释说：绿色和红色这两种颜色都是“合法的”。两种情况下发光的都是氧。但氧在非常高的高度——200到400公里——发出红光。而在较低的高度，100到200公里处，发出绿光。南部地区的居民看到的是极光的高处部分，即红色部分，而低处的绿色部分被地平线遮挡了。谜底就是如此。

凡是了解原子结构的人（电子像行星一样绕原子核旋转——虽然这不精确，但很直观），都很容易理解其中的原理。原子中的电子从外部获得能量（比如受到外来电子的撞击）后，会跃迁到更高的轨道。然而它们在那里待不久，就会返回。并在返回时释放多余的能量，发出光。我们看到的就是这种光——极光。

如前所述，氧有两种发光模式：红色和绿色。但除了氧之外，空气中还有许多其他气体。比如氮，发出蓝色光。空气中的氮非常多。但要想看到蓝色极光，得费一番功夫。我们的眼睛在黑暗中本来就很难分辨蓝色和浅蓝色。难以捕捉的蓝色极光在我们看来偏白。另一个因素：氮在极低的高度（不到一百公里）才会被点燃。要观察到这种现象，必须在极北地区观测，或者……从轨道上俯瞰全貌。

那么，从太阳飞来的电子需要多大的能量，才能穿透大气层如此之深并“点燃”氮？极地地球物理研究所的科学家们进行了计算，结果表明所需能量相当可观：3500电子伏特。这是什么单位？

当物理学家研究单个粒子（比如电子）的能量时，用习惯的单位不方便。微观世界有不同的、更小的尺度。而电子在“施加”一伏特电压（电子伏特）时所获得的能量——正合适。也就是说，极光发生时每个电子被施加了3500伏特，比高压输电线还高。真是不得了！

总之，蓝色极光会在极端强烈的磁暴中产生。不过，即便是常见的红色和绿色极光也需要不小的电压。比如，红色极光的点燃至少需要1000电子伏特，绿色则需要2000到3000电子伏特。

当然，没有人拿着裸露的电线站在电子旁边。一切都是太阳在做——它以极高的速度抛射电子。正如作家安德烈·普拉东诺夫曾经指出的（直觉！），宇宙充满了能量和电。

除了蓝色极光之谜，俄罗斯科学家的研究中也有绿色的位置。因为绿色极光也并非一切都那么清澈明了。

如前所述，绿色由中等高度上的氧提供。但有个细节。空气中一氧化氮非常少，但确实存在。而这一微量杂质会影响极光的颜色。如果一氧化氮略高于正常水平，它似乎会束缚分子氧离子。于是氧就不再发光。深绿色就看不到了。

这时发现了一个奇怪的现象：当磁暴真正强烈时，一氧化氮就不知去向了。神秘吗？气体怎么会“知道”地球和太阳之间正在风暴？

俄罗斯科学家精细地解开了这个复杂的化学谜题。而这里起作用的正是化学。当极端磁暴发生时，太空向上层大气输送巨额能量。大气受热膨胀。这可以想象为……一股垂直向上吹的风。

无论如何，这种奇怪的风导致原子氧浓度降低。同样数量的原子氧分布在更大的体积中。而原子氧和一氧化氮是形影不离的朋友。氧作为催化剂，是一氧化氮生成所必需的。因此，随着原子氧的匮乏，一氧化氮也“挨饿”了。

“我正求之不得！” ——分子氧喊道，并赐予地球人温柔的绿色极光。

糊涂了？没关系。只是下次当命运赐予您亲眼目睹极光的机会时，想一想这幽灵般的光芒背后有着怎样的物理、怎样的化学、怎样的能量。“自然啊，你的法则在哪里？”它存在，但仍有许多对人类隐藏。但科学家终将彻底弄清一切，不用怀疑。