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航天员拍到的地球外层发光边界是什么

来源:科技日报2021-11-12 09:16

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  就在不久前,中国载人航天工程办公室发布了神舟十二号航天员在轨拍摄的照片,很多人注意到一个细节——地球外面竟然有一层发光的边界。

  这是大气层吗?夜空中的大气层,为什么会是“亮”的呢?发光的这层又是在哪一高度?发光原理是什么?

  这些问题的答案都指向一个词——气辉,一种大气发光现象。

  为什么会有这样的现象呢?让我们从抬头仰望星空的一个细节说起。

  当人们在远离城市灯光的野外,甚至是空气稀薄的高原欣赏纯净的夜空时,如果把目光放在星星之间的“空隙”,可以感觉到没有星星的区域仍然不是直觉上该有的纯黑,即使用望远镜观察,暗星和暗星之间的“空隙”仍然有些许明亮,好像我们看到的夜空中有一个微弱发光的背景,这就是气辉(地球高层大气的微弱发光现象)。

  在可见光波段,最明亮的气辉是高层大气氧原子发出的557.7纳米的绿色光,亮度稍弱的是钠原子发出的589.0纳米/589.6纳米的黄绿色光。这个颜色的大气发光现象,很容易让人联想到极光。但事实上,二者在分布、形态和原理上都有着显著的不同。

  从空间分布上看,极光几乎只存在于高纬度靠近地球磁极的一圈,鲜有出现在低纬度区域,而且形态清晰、变化迅速;反观气辉,则是一圈完整的发光球包裹在整个地球外面,近乎于均匀分布,鲜有结构特征。这些不同,均源于它们发光原理的差异。

  极光的出现,来源于太阳风中高能粒子对大气分子和原子的轰击,微观粒子变成激发态,随后通过回到基态的过程释放特定能量而发光,化学上可被归类为“荧光”。气辉的产生,则源于高层大气的紫外激发,这些紫外线有的直接来源于太阳光,更多的是高层大气中其他原子或离子受太阳光激发后产生的次级激发。这类激发现象在稀薄的高层大气中,可以存在数分钟到数小时,因此地球的夜半球,就有了能持续整夜发光的气辉,化学上可称其为“磷光”。

  气辉不仅整夜可见,而且分布于整个夜半球。跟随地球自转和高层大气流动,粒子们运动到太阳照射的地方产生一定比例的紫外激发,随后运动到夜半球,有些还在激发态的粒子就可能在某个时间回到基态而发光。这种发光没有地理位置的偏好,只有日夜的不同,因此气辉可以出现在整个大气层。相比之下,极光的产生和消失是瞬时的,大气粒子受到来自太阳的高能粒子轰击,即刻发光。而地球的磁场强烈地约束了这些通常带电的高能粒子,使它们只会来到地球南北磁极附近的高纬度地区,因此除了少有的太阳剧烈活动期,只有南北磁极附近才可能看到极光。

  了解了极光和气辉的原理后,我们可以发现二者均只能出现在稀薄的高层大气。因为如果靠近地表,假设有氧原子被激发,它很快就会和旁边的原子或者分子碰撞,把能量释放掉;只有空气密度足够稀薄时,原子们被激发后才能安全地自由热运动,直到自己发光释放能量回到基态。自地表向上,这个足够稀薄的位置就出现在100千米左右的高度。继续向上,原子们同样也能如此发光,但是由于空气密度更稀薄,看到的光也更弱。因此最明显的发光就集中在100千米左右的高空,刚好和传统上对太空定义的100千米“卡门线”相当。

  此外,氧原子还有其他能级的激发,例如需要更长时间才能回到基态的一种红色发光,需要更高层大气的更低密度环境,这就形成了在距地表150—300千米一层较弱较弥散的红色气辉层,相比100千米的绿色气辉层,红色气辉层需要更多的曝光积累才可察觉,或者需要强烈的太阳活动打“配合”。

  最后,回到神舟十二号航天员在轨拍摄的照片,航天员从太空中拍摄的地球,气辉作为一层薄薄的微弱发光层包裹在距地表100千米高度的地方。这一层发光的边界,正是地球上观察夜空时最主要的背景光。(王卓骁)

[ 责编:蔡琳 ]
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