就在颶風米爾頓以 3 級颶風強度襲擊佛羅里達之前，許多人發(fā)現(xiàn)上空變成了一片詭異的紫色。這是世界末日的預兆嗎？某種程度上是的 —— 是我們自己造成的氣候災難。然而，這依然是一種可以用科學解釋的自然現(xiàn)象。
光與顏色
可見光是電磁波譜中的一小段，波長范圍從 700 到 380 納米（納米是十億分之一米）。在這一范圍內，我們的眼睛會將不同的波長按從長到短的順序排列（即彩虹的順序）解讀為不同的顏色：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。
實際上，我們的眼睛只有紅、綠、藍三種顏色傳感器。各傳感器通過檢測的光強差異和三種顏色的混合，就形成了我們所看到的各種顏色。如果眼睛接收到所有顏色的光量相等，所見顏色將是白色。而紫光則是接近 380 納米的單一波長，是人眼能看到的極限。
為什么天空會有顏色？
既然太陽發(fā)出的是白光，為什么天空會顯示出不同的顏色呢？原因在于電磁波遇到大氣中的微小顆粒時會發(fā)生散射。具體的效果取決于粒子的大小和光的波長。當遇到非常微小的氧氣和氮氣分子時，短波長光（藍色和紫色）比長波長光（紅色和橙色）更容易被散射。
這意味著，當陽光穿過大氣層時，紅光和黃光大多會直接穿透，而藍光和紫光則被散射開來。如果你站在地面向上看，就會看到那些散射的藍色和紫色光，這就是為什么晴天的天空呈現(xiàn)藍色。
這也解釋了為什么日落或日出時太陽會顯得更紅。當太陽靠近地平線時，白光需要穿過更厚的大氣層，這進一步散射了藍色光，留下更多的紅光，使得夕陽顯得格外紅艷。
為什么天空不是總是紫色的？
等一下，既然短波長的光比長波長更容易被散射，那紫色光比藍色更易散射，那為什么天空通常不是紫色的呢？這是個好問題，原因有兩個：
首先，太陽發(fā)出的光強在不同顏色上并不相等。事實上，太陽在較大波長（紅色和綠色）上的光強高于較短波長（藍色和紫色）。因此，當陽光照射到大氣層時，藍色光比紫色光更多。
其次，與人眼有關。由于我們主要感知紅、綠、藍三種顏色，我們的眼睛對短波長的紫色不如對藍色敏感。所以，即便天空散射了藍色和紫色光，眼睛還是會偏向接收藍色。實際上，天空可能比我們想象中更偏向紫色。
還有一個現(xiàn)象你可以自己觀察：天空并不是單一的顏色。盡管有一種叫“天藍色”的蠟筆顏色，但現(xiàn)實中的天空是多種顏色的混合，這正是天空美麗的原因。
紫色颶風
颶風當然不是紫色的 —— 這一點我們都知道，不過稱其為“紫色颶風”倒是很有趣。那么，是什么原因導致颶風讓我們看到紫色的光呢？首先，這通常出現(xiàn)在太陽靠近地平線時，光線需要穿過更多空氣。黃昏或黎明的紅色光與散射的藍紫色光疊加，形成紫色調。
此外，大氣中并不只是純凈的空氣，還有水汽、塵埃和碎屑，這些都會引起散射，而颶風期間這種成分會更多。最后，颶風帶來的云層覆蓋會遮擋住藍色的天空。所有這些因素共同作用，形成了天空中豐富多彩的顏色，其中之一便是紫色。
這些瘋狂的北極光是怎么回事？
北極光通常只在遙遠的北方才能看到，但今年五月，夜空中卻出現(xiàn)了粉紅色和綠色的光幕，甚至在美國南部的德克薩斯和夏威夷（中低緯度地區(qū)）也清晰可見，許多人紛紛停下車駐足拍照。
這種奇景起源于一次特別強烈的太陽風暴 —— 太陽高速噴射出的帶電粒子流。而且，隨著我們接近本次太陽周期的峰值，這類現(xiàn)象將更頻繁出現(xiàn)。每隔 11 年，太陽活動進入高峰期，增加了太陽風暴的幾率，這也是一種“空間天氣”現(xiàn)象，即太陽與地球之間的相互作用?？臻g天氣帶來的結果并不都是絢麗的，其中有些具有危險性。不過它背后的物理學原理很有意思，一起來看看吧！
飄來的太陽風
你或許認為太陽是一團巨大的火焰，但事實并非如此。（火焰是一種可燃物和氧化劑之間的化學反應。）真正情況其實是，太陽是一個巨大的核聚變反應堆。在太陽核心，質子在極高壓下相互碰撞結合，形成含有兩個質子和兩個中子的氦原子核（其中兩個質子衰變成中子）。
不過，氦原子核的質量比起始的四個質子質量更小。這并不是質量消失了，而是根據(jù)愛因斯坦著名的方程 E = mc2, 被轉化成了能量。光速非常快，每秒 30 萬公里，再將其平方，意味著哪怕是微小的質量損失，也會釋放出大量能量。這就是太陽炙熱的原因，其核心溫度高達 1482 萬攝氏度，相當高！
在這種極端高溫下，太陽外層的氣體形成了一種等離子體狀態(tài)，電子被從原子中剝離，留下大量自由的電荷（主要是電子和質子）高速運動，其中一些粒子的速度足夠快，可以逃脫太陽的引力。這些被噴射出的粒子就是“太陽風”。
太陽風撞擊彗星時你就能看到它的效果。彗星基本上是圍繞太陽運轉的“臟雪球”，當它靠近太陽時，冰會直接升華轉化為氣體。部分氣體獲得足夠能量電離（電子從原子中逸出），形成帶電的氣體。當太陽風吹過時，它將這些電離氣體推離彗星本體，形成一條長達數(shù)千萬英里的尾巴。
有趣的事實是：彗尾并非像飛機尾跡一樣位于彗星后方，而是朝向太陽相反的方向 —— 基本上是彗星飛行方向的側面。
為什么是現(xiàn)在？
每隔 11 年，太陽風的活動為什么會如此劇烈呢？和地球一樣，太陽也有磁場，但它非常不穩(wěn)定。由于太陽不是固體，內部各部分以不同速度旋轉，造成磁場扭曲變形，并在大約每隔 11 年徹底翻轉一次極性。上次翻轉發(fā)生在 2013 年，而現(xiàn)在正是 2024 年。
這些移動的磁力線會穿透太陽表面，形成黑子和壯觀的等離子體噴發(fā)，即所謂的太陽耀斑。這是怎么發(fā)生的呢？當電荷高速運動時，它們會受到磁場的推拉作用。你可以通過銅線和電池來親自觀察這個現(xiàn)象。如果將銅線放置在靜止的磁鐵旁邊，然后連接電池形成電流，銅線會發(fā)生移動?？梢栽囋嚳矗?/p>
在太陽活動周期的峰值階段，就會發(fā)生這種現(xiàn)象：噴發(fā)的磁場將日冕中的自由電子和質子拉出，并以每小時高達 241 萬公里的速度拋入太空。當這種活動達到極致時，就被稱為日冕物質拋射。5 月 10 日正是這樣，連續(xù)三次的物質拋射引發(fā)了幾十年來最強的太陽風暴。專家表示，這可能帶來了 500 年來最壯觀的極光景象。
為什么天空會亮起？
最后的問題是：為什么太陽風會讓地球大氣層亮起那樣的光芒？其實，這種現(xiàn)象與酒吧霓虹燈的發(fā)光原理類似。
霓虹燈是充滿氖氣或其他氣體的玻璃管，當電流從一端流向另一端時，電子會撞擊氖氣中的電子，將它們推向更高能級。當這些電子平靜下來回到基態(tài)時，會發(fā)出光。光的顏色取決于能量的變化，不同氣體（如氬氣、氙氣或汞）能產生不同的顏色。
在北極光中，發(fā)光的并非霓虹燈，而是大氣中的氣體。氧氣在低海拔時發(fā)出綠色光，高海拔時發(fā)出紅光。氮氣則發(fā)出藍色或紫色光。黃色和粉色通常是氣體混合而成，且只在最強的太陽風暴中才出現(xiàn)。這些氣體因太陽高能粒子與地球磁場的波動而被激發(fā)，碰撞能量更高，因而產生極光。
等等，地球磁場也在變化？是的，這正是因為太陽風的緣故。就像運動的電荷在磁場中受力，它們同時也會產生磁場。當大量帶電粒子如雨點般落向地球，地球的磁場會被拉扯和扭曲，引發(fā)天空中的炫目光帶。
還有一個有趣的事實：白天也有極光，只是看不見而已。
不只是漂亮的極光
然而，空間天氣并不只有絢麗的光景。對于國際空間站上的人類，或高空飛行的航天器，這些高速帶電粒子其實是一種不受歡迎的輻射。這種情況下主要是 β 射線，也可能包含少量的 α 粒子。
對衛(wèi)星來說，太陽風會導致電荷堆積，損壞衛(wèi)星執(zhí)行任務所需的電子元件。并且，隨著地球吸收更多太陽能量，大氣會變暖膨脹，增加了低地軌道航天器的阻力，使其減速，最終可能偏離軌道甚至掉落。
在地面上，太陽風暴也可能干擾通信和導航系統(tǒng)，甚至引發(fā)停電。還記得我們提到過電流會產生磁場嗎？其實反過來也成立：變化的磁場可以生成電流。這里有一個演示：筆者將一根線圈連接到電流表上，但這次沒有使用電池。當移動磁鐵時，線圈中就會產生電流。
將這一原理應用到電力線上，微小的磁場變化會生成額外電流，可能燒毀變壓器。1859 年，太陽風暴擊中了電報線路，甚至讓電報局著火。
始終令人感到驚訝的是，距離我們 1.5 億公里的太陽上的活動，竟會影響地球上的事件 —— 這就是空間天氣！
作者：Rhett Allain
翻譯：Aegon
審校：7 號機
原文鏈接：What’s Up With These Crazy Northern Lights?
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