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航天員拍到的地球外層發光邊界是什么

王卓驍
2021年11月12日08:55 | 來源:科技日報
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原標題:航天員拍到的地球外層發光邊界是什么

就在不久前,中國載人航天工程辦公室發布了神舟十二號航天員在軌拍攝的照片,很多人注意到一個細節——地球外面竟然有一層發光的邊界。

這是大氣層嗎?夜空中的大氣層,為什么會是“亮”的呢?發光的這層又是在哪一高度?發光原理是什么?

這些問題的答案都指向一個詞——氣輝,一種大氣發光現象。

為什么會有這樣的現象呢?讓我們從抬頭仰望星空的一個細節說起。

當人們在遠離城市燈光的野外,甚至是空氣稀薄的高原欣賞純凈的夜空時,如果把目光放在星星之間的“空隙”,可以感覺到沒有星星的區域仍然不是直覺上該有的純黑,即使用望遠鏡觀察,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微弱發光的背景,這就是氣輝(地球高層大氣的微弱發光現象)。

在可見光波段,最明亮的氣輝是高層大氣氧原子發出的557.7納米的綠色光,亮度稍弱的是鈉原子發出的589.0納米/589.6納米的黃綠色光。這個顏色的大氣發光現象,很容易讓人聯想到極光。但事實上,二者在分布、形態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,鮮有出現在低緯度區域,而且形態清晰、變化迅速;反觀氣輝,則是一圈完整的發光球包裹在整個地球外面,近乎于均勻分布,鮮有結構特征。這些不同,均源于它們發光原理的差異。

極光的出現,來源于太陽風中高能粒子對大氣分子和原子的轟擊,微觀粒子變成激發態,隨后通過回到基態的過程釋放特定能量而發光,化學上可被歸類為“熒光”。氣輝的產生,則源于高層大氣的紫外激發,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后產生的次級激發。這類激發現象在稀薄的高層大氣中,可以存在數分鐘到數小時,因此地球的夜半球,就有了能持續整夜發光的氣輝,化學上可稱其為“磷光”。

氣輝不僅整夜可見,而且分布于整個夜半球。跟隨地球自轉和高層大氣流動,粒子們運動到太陽照射的地方產生一定比例的紫外激發,隨后運動到夜半球,有些還在激發態的粒子就可能在某個時間回到基態而發光。這種發光沒有地理位置的偏好,只有日夜的不同,因此氣輝可以出現在整個大氣層。相比之下,極光的產生和消失是瞬時的,大氣粒子受到來自太陽的高能粒子轟擊,即刻發光。而地球的磁場強烈地約束了這些通常帶電的高能粒子,使它們只會來到地球南北磁極附近的高緯度地區,因此除了少有的太陽劇烈活動期,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,我們可以發現二者均只能出現在稀薄的高層大氣。因為如果靠近地表,假設有氧原子被激發,它很快就會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,原子們被激發后才能安全地自由熱運動,直到自己發光釋放能量回到基態。自地表向上,這個足夠稀薄的位置就出現在100千米左右的高度。繼續向上,原子們同樣也能如此發光,但是由于空氣密度更稀薄,看到的光也更弱。因此最明顯的發光就集中在100千米左右的高空,剛好和傳統上對太空定義的100千米“卡門線”相當。

此外,氧原子還有其他能級的激發,例如需要更長時間才能回到基態的一種紅色發光,需要更高層大氣的更低密度環境,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,或者需要強烈的太陽活動打“配合”。

最后,回到神舟十二號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光層包裹在距地表100千米高度的地方。這一層發光的邊界,正是地球上觀察夜空時最主要的背景光。

(來源:《天文愛好者》雜志)

(責編:羅知之、陳鍵)

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