你头顶上发生的事情比你想象的要多得多。例如，地球的大气层越高越稀薄，当你到达约 100 公里（60 英里）的高度时，不同的物理过程就变得重要起来。其中一个被称为化学发光——由化学过程产生的光。这会让高层大气发出不同的颜色。它很微弱，从太空看效果最好……而我们正好在那里有几名宇航员。神经科学家兼业余视频制作者 Alex Rivest 收集了宇航员拍摄的这种空气辉光照片，并制作了这个诡异而美丽的延时视频。
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Alex 拿到了原始的宇航员照片，并对它们进行了一些增强，以带出微弱的空气辉光。你可以在很多从空间站拍摄的照片中看到它，我对此已经评论过很多次了。不过，我一直想做的一件事是找出导致空气发光的物理过程，以及它为什么会产生不同的颜色——你可以在许多照片中清楚地看到绿色、黄色和红色的辉光！Alex 也在这方面给予了帮助。在他的博客上，他讨论了
他制作视频的过程以及空气发光的原因（基于大气光学网站上略显简略的解释
）。这工作原理总的来说很简单，但细节很复杂——就像宇宙中的其他事物一样！基本上，白天，在高层大气中，太阳的紫外线能量会激发氧分子（称为 O2；两个氧原子结合在一起——这就是我们呼吸的东西）。这种能量会将分子分解成单独的原子，这些原子会带有一点额外的能量——我们说这些原子处于激发态。就像一个喝了太多咖啡而过度兴奋的人一样，它们想释放这种能量。它们可以通过几种方式做到这一点：它们可以发光，或者它们可以与其他原子和分子碰撞并与之发生化学反应。如果你有一个孤独的处于激发态的氧原子，它可以选择通过发出绿光或红光来释放能量。通常，它会在被激发后不到一秒钟内发出绿光，而会在更长的时间尺度上，比如几分钟，发出红光。这很重要，请耐心听我讲。
在约 95 公里以下的高度，大气足够浓密，原子之间的碰撞无时无刻不在发生。事实上，一个处于激发态的氧原子不必等很长时间（通常是微秒）就会被另一个原子或分子碰撞。如果碰撞的平均频率快于每 0.1 秒一次，那么一个氧原子就没有足够的时间在被另一个原子或分子撞击之前发出绿光。当这种情况发生时，另一个原子可以窃取它的能量，就不会发出绿光。所以在这个高度以下，我们看不到任何绿色发光。在 95-100 公里左右的高度，碰撞的频率较低，这给了氧原子发出绿色光子（光粒子）的时间。所以在这个高度，我们确实看到了绿色辉光。这一层很薄，就像气泡的壳，我们看到它呈弧形，这是由于边缘增亮（如果你想了解详情，可以在这里阅读
）。在上面的图片中，你可以看到它是一条非常细的绿色弧线，位于朦胧的黄色辉光（我稍后会讲到；请稍候）之上。通常它不会很亮，但沿着壳的边缘看，就像穿过数百公里长的厚板。光线会积累起来，使其足够明亮而可见。再往上，超过 100 公里，由于密度较低，氧原子之间的距离更远。它们碰撞的几率要小得多，因此碰撞之间的时间间隔可能很长，足以让氧原子发出红色光子。这就是为什么我们在更高的、空气极其稀薄的地方看到红色辉光。如上所述，氧原子也可以撞击其他分子并发生化学反应。当存在氢和氮时，其中一个化学终产物被称为羟基自由基——一个氧原子和一个氢原子结合在一起（表示为 OH^-）。这些自由基可以振动，就像弹簧两端连接的重物一样，并在此过程中发出红光。这也促成了高空的红色天空辉光。我之前在各种宇航员的照片中指出过这种红色拖影（例如这里
和这里
），并想知道它是什么。现在我知道了！还有更多的事情在发生。在绿色线条（大约在 50-65 公里高）下方，有一种比较模糊的黄色辉光。结果发现那是来自钠，钠被激发时会发出黄光。长期以来，人们一直认为这种钠可能来自吹入空气中的海盐，但事实证明它有一个更“天国”的来源：流星！当这些来自太空的小岩石在我们的大气层高处燃烧时，它们会留下钠。虽然量不多，但钠是一种非常活跃的原子，发光 brilant。所以，尽管它的含量远少于氧气，但它仍然很亮。还有其他过程，以较弱的量贡献不同的颜色。例如，当两个氧原子结合形成一个 O2 分子时，它会留下一些剩余的能量。它可以将其通过发射蓝色光子来消除。这通常相当微弱，发生在 95 公里处，正好在绿色层的底部。这并非巧合！还记得吗，那是碰撞变得频繁的高度，所以导致绿色辉光淬灭的相同过程——氧原子相互撞击——正是导致蓝色辉光的原因。如果这一切听起来很熟悉，那可能是因为这些相同的过程也是极光发出不同颜色的原因！在这种情况下，能量的来源不是来自太阳的光，而是来自太阳风或太阳风暴的快速亚原子粒子。它们像小弹丸一样飞进来，撞击空气，并将氧分子炸成碎片。在那之后，原子释放能量的过程与我上面概述的基本相同。所有这些的复杂程度在我描述之后会迅速变得非常严重，包括电子从一个能级跳到另一个能级、爱因斯坦系数、禁戒跃迁和碰撞截面。如果你愿意，可以在网上找到所有这些信息，并且如果你去做，愿你获得力量。但事实上，我认为这个整个主题似乎从相对简单到非常复杂，几乎是——嗯——量子式的飞跃。尽管如此，它仍然很迷人，我花了很长时间浏览网站和量子力学描述来弄清楚这一切。从太空拍摄的地球照片总是美丽、引人入胜且令人敬畏的，但当它们背后有理解——有科学——时，它们会变得更加如此。了解总是更好的。永远是。图片来源：NASA
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