为什么在高海拔地区，极光中更多来自氧气的光，而氧气比氮重?

Question

另一个最近的问题是，由于扩散和热的原因，氧和氮是混合的。然而氧气比氧气重一点所以它在大气中的位置应该更低。

在另一个问题中我读到:

“这就是为什么海拔有颜色差异;在高空，氧红占主导地位，然后是氧绿和氮蓝/红，最后是氮蓝/红，当碰撞阻止氧气释放任何东西时。”

是什么导致了南北磁极上美丽的极光?

所以我的问题是，为什么在高海拔地区，更多的极光来自氧气，而关于扩散，它不应该有区别，因为氧气更重，它应该更低。

但在极光的情况下，它是更高的，那为什么呢?是什么造成了极光的所有不同?

Answer 1

可见的原子氧发射发生在基态的精细结构水平之间，这些状态之间的跃迁不是量子力学上电偶极辐射所允许的。这些“被禁止的”跃迁需要更长的时间才能发生，通过磁偶极子或电-四极子辐射进行。因此，原子在激发态中花费了很长时间(557.7 nm跃迁为~1秒，630 nm跃迁为~200秒)，在此期间原子可以发生碰撞并失活而不辐射。然而，分子氮的辐射发生在偶极子允许的跃迁之间，在激发态中仅花费纳秒到微秒。因此，即使在高碰撞条件下(即低海拔)，它们也能存活下来辐射。

原子或分子发生碰撞的频率随着高度的降低而增加。此外，极光电子的能量越高(2 keV到20 keV)，它们在大气中沉积的能量就越低(150千米到90千米)。如果极光中有低能电子，则发射发生在非常高的高度，激发的原子氧和分子氮都很少发生碰撞。因此，它们都有辐射，但在这个高度，原子氧比分子氮多，原子氧的红色和绿色占主导地位。

随着极光能量的增加，电子将能量沉积在较低的高度，碰撞更加频繁，原子氧激发态的寿命不够长，不足以辐射。这样就能在低空消除绿色和红色的排放。然而，激发态寿命较短的分子氮继续辐射，极光的下边界随着氮的释放而变成粉紫色。

Answer 2

简短的回答:

在高海拔地区，氧原子(不是氧分子)造成了主要的红色和绿色极光发射。虽然在更高的高度，原子$\ce{O}$比氮多，但理解不同颜色的关键是激发能。具有较高能量的极光粒子深入大气层，在较低的高度产生更高能量的辐射。向上导致红色$\ce{O}$发射的激发比向下导致绿色$\ce{O}$发射所需的能量更少。更重要的是，在最底部的紫色$\ce{N2+}$发射只能被非常高能的粒子激发。

更多细节:

你注意到分子氧($\ce{O2}$)比分子氮($\ce{N2}$)重是对的。因此，在高出涡轮层顶约105公里的高度，由于大气变得太薄，湍流混合不再存在，相对而言，$\ce{N2}$比$\ce{O2}$多，两者之间的比值随着高度的增加而增加。然而，分子$\ce{O2}$对原子$\ce{O}$也有很强的光解离作用。由于两个$\ce{O}$原子在高海拔地区的重组速度较慢，而且原子质量较轻，因此它们的浓度随着海拔高度的增加而增加。在大约200公里以上，原子$\ce{O}$比$\ce{N2}$丰富。

如前所述，能量较高的极光粒子在较低的高度沉积了更多的能量，在那里它们与空气的碰撞更多。低能量的粒子走不了那么远。极光的主要红色和绿色发射是$\ce{O}$原子的基本激发。红色辐射在630 nm左右，在200 km以上达到峰值。高度。它是由激发态$\ce{O}^1D$引起的，能量$\sim5.6$ eV。在558 nm左右的绿色发射在110 km左右达到峰值，远低于红色发射。相应的态$\ce{O}^1S$具有较高的激发能，约为$10$ eV。在90公里高度附近达到峰值，紫色$\ce{N2+} $发射的波长约为428 nm，激发能约为$100$ eV。

化学物质的浓度和最重要的高度相关的能量沉积的结合导致了极光颜色的高度相关。光离紫色越远，每个光子的能量就越高。

请注意，这些关于什么颜色是由什么原子或分子在什么高度引起的讨论在某种程度上被简化了。这一切只是指在某个峰值高度的主导发射，它可能会盖过较暗的颜色。在某种程度上，大多数颜色会从大多数高度发射出来，但地面观测者是看不见的。而且发射出的颜色比讨论的要多得多。