就在不久前，中國(guó)載人航天工程辦公室發(fā)布了神舟十二號(hào)航天員在軌拍攝的照片，很多人注意到一個(gè)細(xì)節(jié)——地球外面竟然有一層發(fā)光的邊界。
這是大氣層嗎？夜空中的大氣層，為什么會(huì)是“亮”的呢？發(fā)光的這層又是在哪一高度？發(fā)光原理是什么？
這些問題的答案都指向一個(gè)詞——?dú)廨x，一種大氣發(fā)光現(xiàn)象。
為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象呢？讓我們從抬頭仰望星空的一個(gè)細(xì)節(jié)說起。
當(dāng)人們?cè)谶h(yuǎn)離城市燈光的野外，甚至是空氣稀薄的高原欣賞純凈的夜空時(shí)，如果把目光放在星星之間的“空隙”，可以感覺到?jīng)]有星星的區(qū)域仍然不是直覺上該有的純黑，即使用望遠(yuǎn)鏡觀察，暗星和暗星之間的“空隙”仍然有些許明亮，好像我們看到的夜空中有一個(gè)微弱發(fā)光的背景，這就是氣輝（地球高層大氣的微弱發(fā)光現(xiàn)象）。
在可見光波段，最明亮的氣輝是高層大氣氧原子發(fā)出的557.7納米的綠色光，亮度稍弱的是鈉原子發(fā)出的589.0納米/589.6納米的黃綠色光。這個(gè)顏色的大氣發(fā)光現(xiàn)象，很容易讓人聯(lián)想到極光。但事實(shí)上，二者在分布、形態(tài)和原理上都有著顯著的不同。
從空間分布上看，極光幾乎只存在于高緯度靠近地球磁極的一圈，鮮有出現(xiàn)在低緯度區(qū)域，而且形態(tài)清晰、變化迅速；反觀氣輝，則是一圈完整的發(fā)光球包裹在整個(gè)地球外面，近乎于均勻分布，鮮有結(jié)構(gòu)特征。這些不同，均源于它們發(fā)光原理的差異。
極光的出現(xiàn)，來源于太陽風(fēng)中高能粒子對(duì)大氣分子和原子的轟擊，微觀粒子變成激發(fā)態(tài)，隨后通過回到基態(tài)的過程釋放特定能量而發(fā)光，化學(xué)上可被歸類為“熒光”。氣輝的產(chǎn)生，則源于高層大氣的紫外激發(fā)，這些紫外線有的直接來源于太陽光，更多的是高層大氣中其他原子或離子受太陽光激發(fā)后產(chǎn)生的次級(jí)激發(fā)。這類激發(fā)現(xiàn)象在稀薄的高層大氣中，可以存在數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)，因此地球的夜半球，就有了能持續(xù)整夜發(fā)光的氣輝，化學(xué)上可稱其為“磷光”。
氣輝不僅整夜可見，而且分布于整個(gè)夜半球。跟隨地球自轉(zhuǎn)和高層大氣流動(dòng)，粒子們運(yùn)動(dòng)到太陽照射的地方產(chǎn)生一定比例的紫外激發(fā)，隨后運(yùn)動(dòng)到夜半球，有些還在激發(fā)態(tài)的粒子就可能在某個(gè)時(shí)間回到基態(tài)而發(fā)光。這種發(fā)光沒有地理位置的偏好，只有日夜的不同，因此氣輝可以出現(xiàn)在整個(gè)大氣層。相比之下，極光的產(chǎn)生和消失是瞬時(shí)的，大氣粒子受到來自太陽的高能粒子轟擊，即刻發(fā)光。而地球的磁場(chǎng)強(qiáng)烈地約束了這些通常帶電的高能粒子，使它們只會(huì)來到地球南北磁極附近的高緯度地區(qū)，因此除了少有的太陽劇烈活動(dòng)期，只有南北磁極附近才可能看到極光。
了解了極光和氣輝的原理后，我們可以發(fā)現(xiàn)二者均只能出現(xiàn)在稀薄的高層大氣。因?yàn)槿绻拷乇?，假設(shè)有氧原子被激發(fā)，它很快就會(huì)和旁邊的原子或者分子碰撞，把能量釋放掉；只有空氣密度足夠稀薄時(shí)，原子們被激發(fā)后才能安全地自由熱運(yùn)動(dòng)，直到自己發(fā)光釋放能量回到基態(tài)。自地表向上，這個(gè)足夠稀薄的位置就出現(xiàn)在100千米左右的高度。繼續(xù)向上，原子們同樣也能如此發(fā)光，但是由于空氣密度更稀薄，看到的光也更弱。因此最明顯的發(fā)光就集中在100千米左右的高空，剛好和傳統(tǒng)上對(duì)太空定義的100千米“卡門線”相當(dāng)。
此外，氧原子還有其他能級(jí)的激發(fā)，例如需要更長(zhǎng)時(shí)間才能回到基態(tài)的一種紅色發(fā)光，需要更高層大氣的更低密度環(huán)境，這就形成了在距地表150—300千米一層較弱較彌散的紅色氣輝層，相比100千米的綠色氣輝層，紅色氣輝層需要更多的曝光積累才可察覺，或者需要強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)打“配合”。
最后，回到神舟十二號(hào)航天員在軌拍攝的照片，航天員從太空中拍攝的地球，氣輝作為一層薄薄的微弱發(fā)光層包裹在距地表100千米高度的地方。這一層發(fā)光的邊界，正是地球上觀察夜空時(shí)最主要的背景光。（王卓驍）（來源：《天文愛好者》雜志）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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