Hvad forårsager nordlysets forskellige farver? En ekspert forklarer den elektriske regnbue

I sidste uge sendte et enormt soludbrud en bølge af energiske partikler fra solen, der strømmede ud gennem rummet. I weekenden nåede bølgen Jorden, og mennesker over hele verden nød synet af usædvanligt levende nordlys på begge halvkugler.

Mens nordlyset normalt kun er synligt tæt på polerne, blev det i weekenden set så langt sydpå som Hawaii på den nordlige halvkugle og så langt nordpå som Mackay i syd.

Denne spektakulære stigning i nordlysaktivitet ser ud til at være slut, men bare rolig, hvis du gik glip af noget. Solen nærmer sig toppen af ​​sin 11-årige solpletcyklus, og perioder med intens nordlys vil sandsynligvis vende tilbage i løbet af det næste år eller deromkring.

Hvis du så nordlyset eller nogen af ​​billederne, undrer du dig måske over, hvad der præcist foregik. Hvad gør gløden, og de forskellige farver? Svaret handler om atomer, hvordan de bliver ophidsede – og hvordan de slapper af.

Når elektroner møder atmosfæren

Aurora er forårsaget af ladede subatomære partikler (for det meste elektroner), der smadrer ind i Jordens atmosfære. Disse udsendes fra solen hele tiden, men der er flere i tider med større solaktivitet.

Det meste af vores atmosfære er beskyttet mod indstrømningen af ​​ladede partikler af Jordens magnetfelt. Men i nærheden af ​​pælene kan de snige sig ind og skabe kaos.

Jordens atmosfære består af omkring 20 % ilt og 80 % nitrogen, med nogle spormængder af andre ting som vand, kuldioxid (0,04 %) og argon.

Når højhastighedselektroner smadrer iltmolekyler i den øvre atmosfære, opdeler de iltmolekylerne (O₂) i individuelle atomer. Det gør ultraviolet lys fra solen også, og de dannede iltatomer kan reagere med O₂-molekyler og producere ozon (O₃), molekylet, der beskytter os mod skadelig UV-stråling.

Men i tilfælde af nordlys er de genererede oxygenatomer i en exciteret tilstand. Det betyder, at atomernes elektroner er arrangeret på en ustabil måde, der kan "slappe af" ved at afgive energi i form af lys.

Hvad gør det grønne lys?

Som du ser i fyrværkeri, producerer atomer af forskellige grundstoffer forskellige farver lys, når de får energi.

Kobberatomer giver et blåt lys, barium er grønt, og natriumatomer producerer en gul-orange farve, som du måske også har set i ældre gadelamper. Disse emissioner er "tilladt" af kvantemekanikkens regler, hvilket betyder, at de sker meget hurtigt.

Når et natriumatom er i en ophidset tilstand, bliver det kun der i omkring 17 milliardtedele af et sekund, før det affyrer en gul-orange foton.

Men i nordlyset er mange af iltatomerne skabt i exciterede tilstande uden "tilladte" måder at slappe af på ved at udsende lys. Ikke desto mindre finder naturen en vej.

Det grønne lys, der dominerer nordlyset, udsendes af oxygenatomer, der slapper af fra en tilstand kaldet "¹S" til en tilstand kaldet "¹D." Dette er en relativt langsom proces, som i gennemsnit tager næsten et helt sekund.

Faktisk er denne overgang så langsom, at den normalt ikke vil ske ved den slags lufttryk, vi ser ved jordoverfladen, fordi det exciterede atom vil have mistet energi ved at støde ind i et andet atom, før det har en chance for at udsende en dejlig green foton. Men i atmosfærens øvre områder, hvor der er lavere lufttryk og derfor færre iltmolekyler, har de mere tid, før de støder ind i hinanden og har derfor en chance for at frigive en foton.

Af denne grund tog det forskerne lang tid at finde ud af, at nordlysets grønne lys kom fra iltatomer. Den gul-orange glød af natrium var kendt i 1860'erne, men det var først i 1920'erne, at canadiske videnskabsmænd fandt ud af, at det grønne nordlys skyldtes ilt.

Hvad gør det røde lys?

Det grønne lys kommer fra en såkaldt "forbudt" overgang, som sker, når en elektron i iltatomet udfører et usandsynligt spring fra et kredsløbsmønster til et andet. (Forbudte overgange er meget mindre sandsynlige end tilladte, hvilket betyder, at det tager længere tid at finde sted.)

Men selv efter at have udsendt den grønne foton, befinder oxygenatomet sig i endnu en ophidset tilstand uden tilladt afslapning. Den eneste flugt er via en anden forbudt overgang, fra ¹D til ³P-tilstanden – som udsender rødt lys.

Denne overgang er så at sige endnu mere forbudt, og ¹D-tilstanden skal overleve i omkring to minutter, før den endelig kan bryde reglerne og afgive rødt lys. Fordi det tager så lang tid, vises det røde lys kun i store højder, hvor kollisionerne med andre atomer og molekyler er få.

Fordi der er en så lille mængde ilt deroppe, har det røde lys en tendens til kun at dukke op i intense nordlys – som dem, vi lige har haft.

Det er derfor, det røde lys vises over det grønne. Mens de begge stammer fra forbudte afspændinger af iltatomer, udsendes det røde lys meget langsommere og har større chance for at blive slukket ved sammenstød med andre atomer i lavere højder.

Andre farver, og hvorfor kameraer ser dem bedre

Mens grøn er den mest almindelige farve at se i nordlys, og rød den næstmest almindelige, er der også andre farver. Især ioniserede nitrogenmolekyler (N₂⁺, som mangler en elektron og har en positiv elektrisk ladning), kan udsende blåt og rødt lys. Dette kan producere en magentafarvet nuance i lave højder.

Alle disse farver er synlige for det blotte øje, hvis nordlyset er lyst nok. De dukker dog op med mere intensitet i kameralinsen.

Det er der to grunde til. For det første har kameraer fordelen af ​​en lang eksponering, hvilket betyder, at de kan bruge mere tid på at indsamle lys til at producere et billede, end vores øjne kan. Som et resultat kan de lave et billede under mørkere forhold.

Den anden er, at farvesensorerne i vores øjne ikke fungerer særlig godt i mørke - så vi har en tendens til at se i sort og hvid under dårlige lysforhold. Kameraer har ikke denne begrænsning.

Du skal dog ikke bekymre dig. Når nordlyset er lyst nok, er farverne tydeligt synlige for det blotte øje.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.