オーロラの色の違いは何が原因で起こるのでしょうか？ 電気虹について専門家が解説

先週、大規模な太陽フレアにより、太陽からのエネルギー粒子の波が宇宙空間を飛び交いました。 週末にかけて波は陸地に到達し、世界中の人々が両半球で異常に明るいオーロラを見ることを楽しみました。

オーロラは通常、極付近でのみ見られますが、今週末に発見されました。 南からハワイへ 北半球では、そして マッカイまで北へ 南部で。

この壮大なオーロラ活動の急増は終わったようですが、見逃しても心配しないでください。 太陽が天頂に近づいています 黒点周期は11年です激しい夕暮れの期間は、来年かそこら以内に戻ってくる可能性があります。

オーロラやその写真を見たことがある人なら、正確に何が起こっていたのか疑問に思うでしょう。 何が輝きとさまざまな色を作るのでしょうか？ 答えはすべて、原子、つまり原子がどのように興奮し、どのようにリラックスするかにかかっています。

電子が大気と出会うとき

オーロラは、帯電した亜原子粒子 (主に電子) が地球の大気と衝突することによって発生します。 これらの元素は太陽から常に放出されていますが、太陽活動が活発になる時期にはさらに多くなります。

私たちの大気の大部分は、地球の磁場によって荷電粒子の流れから保護されています。 しかし、極の近くでは、彼らは忍び込んで大混乱を引き起こす可能性があります。

地球の大気は、約 20% の酸素と 80% の窒素で構成されており、その他に水、二酸化炭素 (0.04%)、アルゴンなどの微量のものが含まれています。

高速電子が大気上層の酸素分子と衝突すると、酸素分子 (O₂) が個々の原子に分割されます。 太陽からの紫外線も同様で、生成された酸素原子は O₂ 分子と反応して、有害な紫外線から私たちを守る分子であるオゾン (O₃) を生成します。

しかし、オーロラの場合、生成された酸素原子は励起状態にあります。 これは、原子の電子が不安定に配置されており、光の形でエネルギーを放出することで「緩和」できることを意味します。

何が青信号になるのでしょうか？

花火でわかるように、さまざまな元素の原子は、エネルギーを与えるとさまざまな色の光を生成します。

銅原子は青色の光を発し、バリウム原子は緑色の光を発し、ナトリウム原子は古い街灯でも見たことのある黄オレンジ色を生成します。 これらの放出は量子力学の規則の下では「許容」されており、非常に急速に発生することを意味します。

ナトリウム原子が励起状態にあるとき、黄オレンジ色の光子を放出するまで、わずか 170 億分の 1 秒しかそこに留まりません。

しかし、オーロラでは、多くの酸素原子が励起状態で生成され、光を放出してリラックスする「許可された」方法はありません。 しかし、自然は方法を見つけます。

オーロラを支配する緑色の光は、酸素原子が「¹S」と呼ばれる状態から「¹D」と呼ばれる状態に緩和することによって放出されます。 これは比較的遅いプロセスであり、平均して約 1 秒かかります。

実際、この遷移は非常に遅いため、地上で見られる気圧では通常は起こりません。励起された原子は、美しい緑色の光子を送り出す前に、別の原子と衝突してエネルギーを失うからです。 しかし、大気の上層では気圧が低く酸素分子も少ないため、酸素分子が互いに衝突するまでの時間が長くなり、光子を放出する機会が得られます。

このため、科学者たちは、オーロラの緑色の光が酸素原子から来ていることを解明するまでに長い時間がかかりました。 ナトリウムの黄オレンジ色の輝きは 1860 年代に知られていましたが、1920 年代まで認識されませんでした。 カナダの科学者 薄明緑色は酸素によるものであることを発見しました。

光は何で赤くなるのでしょうか？

緑色の光は、酸素原子内の電子がある軌道パターンから別の軌道パターンへ予期せぬジャンプをするときに発生する、いわゆる「禁断の」遷移によって生じます。 (禁止された遷移は、許可された遷移よりも発生する可能性がはるかに低いため、発生するまでに時間がかかります。)

しかし、緑色の光子を放出した後でも、酸素原子は緩和することなく別の励起状態になります。 唯一の脱出方法は、赤い光を発する¹D 状態から ¹P 状態への別のブロックされた遷移を経由することです。

この移行はいわばさらにブロックされ、最終的にルールを破って赤信号が点灯するまで、¹D 状態は約 2 分間維持される必要があります。 非常に長い時間がかかるため、赤色光は原子や他の分子との衝突がまれな高高度でのみ現れます。

また、そこには少量の酸素があるため、赤い光は、先ほど見たような強いオーロラでのみ現れる傾向があります。

赤い光が緑の上に見えるのはこのためです。 どちらも酸素原子の禁制緩和によって生じますが、赤色光は放出がはるかに遅く、低高度で他の原子との衝突によって消える可能性が高くなります。

他の色はなぜカメラによく映るのですか?

オーロラで最もよく見られる色は緑、2 番目に多いのは赤ですが、他の色もあります。 特に、イオン化した窒素分子 (N₂⁺、電子が 1 つ欠けており、正の電荷を持っています) は青色と赤色の光を発します。 これにより、標高が低い場所では紫色が生成されることがあります。

オーロラが十分に明るければ、これらの色はすべて肉眼で見ることができます。 ただし、ファインダー内ではより強く現れます。

これには 2 つの理由があります。 まず、カメラには長時間露光という利点があります。つまり、画像を生成するために光を集めるのに人間の目よりも長い時間を費やすことができます。 その結果、薄暗い場所でも写真を撮ることができます。

2 番目の理由は、私たちの目のカラーセンサーが暗闇ではうまく機能しないため、暗い場所では白黒で見る傾向があるためです。 カメラにはこの制限はありません。

ただし、心配する必要はありません。 オーロラが十分に明るい場合、肉眼でも色がはっきりと見えます。

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