Farben der Aurora

Ich habe mehrere Webseiten gesehen, die versuchen, die Farben der Aurora zu erklären, aber sie scheinen bestimmte Details zu beschönigen oder wegzulassen, also bin ich immer noch verwirrt. Auf dieser Seite wird beispielsweise erklärt, auf welche Elemente hochenergetische Partikel von der Sonne in welchen Höhen treffen, aber es wird nicht erklärt, was bestimmt, in welcher Höhe ein Partikel mit größerer Wahrscheinlichkeit auf welches Element trifft. Zum Beispiel heißt es, dass die übliche grüne Farbe auf ionisierenden Sauerstoff und die violette Farbe auf Stickstoff zurückzuführen ist, aber es gibt viel mehr Stickstoff in der Atmosphäre als Sauerstoff, also warum überwiegt nicht violett? Ändert sich die relative Konzentration verschiedener Gase mit der Höhe?

Ich bin gerade aus Grönland zurückgekehrt, wo wir spektakuläre Nordlichter gesehen haben, hauptsächlich grün, einige violett.

Antworten (2)

Der Schlüssel zum Verständnis ist die verbotene Leitungsemission . Bestimmte Übergänge zwischen Quantenzuständen dürfen nicht über den effizientesten elektrischen Dipolmechanismus erfolgen. Die "Auswahlregeln", die bestimmen, welche Übergänge verboten und welche erlaubt sind, sind eine Folge der quantenmechanischen Natur der Übergänge.

Wenn ein Atom (oder Ion) in einen bestimmten Zustand angeregt wird, kann es entweder durch Strahlung (durch Emission eines Photons) in einen niedrigeren Energiezustand zerfallen oder durch Kollision entregt werden. Was von diesen beiden Dingen passiert, hängt von der (Elektronen-)Dichte des Gases, der Temperatur und der Strahlungslebensdauer des angeregten Zustands ab.

Ein verbotener Übergang hat eine (vergleichsweise) sehr lange Strahlungslebensdauer (vielleicht eine Sekunde im Vergleich zum 10 − 7 s eines erlaubten Übergangs). Dies bedeutet, dass der Übergang in den meisten Fällen nicht strahlend erfolgt – daher der Begriff „verbotene Linie“. Wenn das Gas spärlich genug ist, zum Beispiel in der oberen Atmosphäre, dann kann die Zeitskala der Kollisionsentregung lang genug werden, damit der Übergang strahlend erfolgt.

Was also mit den verschiedenen Farben passiert, ist, dass sie aus verschiedenen Übergängen in verschiedenen Arten entstehen, die bestimmten Wellenlängen entsprechen. Die bestimmten Übergänge treten nur in bestimmten Höhen in der Atmosphäre auf, wo die Bedingungen so sind, dass (i) die Spezies existiert, (ii) das obere Niveau des Übergangs in ausreichender Zahl angeregt wird und (iii) die Dichte/Temperatur-Kombination so ist dass Kollisionen selten sind und die verbotene Linienemission nicht "löschen".

Das Vorherrschen unterschiedlicher Farben ist nicht unbedingt auf stark unterschiedliche Konzentrationen von Sauerstoff gegenüber Stickstoff in unterschiedlichen Höhen zurückzuführen; Sowohl grüne als auch rote Polarlichter werden durch Übergänge im atomaren Sauerstoff (bei 558 nm bzw. 630 nm) erzeugt. Es liegt daran, dass die verschiedenfarbigen Übergänge in unterschiedlichen Höhen in der Atmosphäre gelöscht werden. Die 630 nm haben eine längere Strahlungslebensdauer und werden bei höheren Dichten in der unteren Atmosphäre gequencht. Andererseits ist tiefer in der Atmosphäre atomarer Sauerstoff seltener und Übergänge in ionisiertem (molekularem) Stickstoff werden dominanter. Diese können wieder entweder blau oder rot sein, abhängig von der Dichte dieser bestimmten Atmosphärenschicht, da verschiedene verbotene Übergänge angeregt und gelöscht werden.

Im Allgemeinen sind die Bedingungen zum Anregen und Bestrahlen eines bestimmten Übergangs nur in ziemlich schmalen, geschichteten Bändern erfüllt, die für verschiedene Arten / Übergänge unterschiedlich sind, und dies führt zu den farbigen Bändern der Polarlichter.

Weiterführende Literatur finden Sie hier .

Ich verstehe, wie verschiedene Farben erzeugt werden, aber ich sehe nicht, wie sich das auf meine Frage bezieht.
@ user316117 Es bezieht sich auf Ihre Frage, weil Sie den Eindruck erweckten, dass die Farben Ihrer Meinung nach auf die Dominanz von Sauerstoff gegenüber Stickstoff zurückzuführen sind. Das ist noch lange nicht die ganze Geschichte. Die jeweiligen Farben werden bestimmt, durch die verbotene Übergänge (a) angeregt (b) nicht durch Stöße gelöscht werden.

Ja, die atmosphärische Zusammensetzung variiert mit der Höhe. Obwohl N 2 In Bodennähe dominiert atomarer Sauerstoff zwischen 200 und 450 km und erreicht 85 Volumenprozent.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Mit freundlicher Genehmigung von Wikipedia . Namensnennung: Amaurea - Eigenes Werk, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=71001656

Die Erklärung, dass verschiedene Farben von verschiedenen Arten erzeugt werden, die in verschiedenen Höhen dominieren, wird von der von Ihnen verlinkten Webseite nahegelegt:

Der Hauptfaktor bei der Bestimmung der Farben eines bestimmten Displays ist die Höhe, in der die Sonnenteilchen mit unserer Atmosphäre kollidieren. Verschiedene Gase herrschen in verschiedenen Höhen und in unterschiedlichen Konzentrationen vor, und es ist die Kollision, die diese Gase „anregt“, die die Farbe der Aurora bestimmt.

Farben der Aurora
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v