Warum ist die Spitze der Aurora rot?

Das liegt daran, dass in niedrigeren Höhen mehr Stickstoff vorhanden ist :

Die grüne Farbe der Aurora unterhalb von 150 km Höhe stammt von der 558-nm-Sauerstofflinie. In größeren Höhen ist er nicht zu sehen, da der 1S-Zustand bei Stößen mit Elektronen oder Protonen nicht vom 3P-Grundzustand erreicht wird. Es wird angenommen, dass dieser Zustand bei Stößen von O(3P) mit angeregten Stickstoffmolekülen entsteht, die ihre Energie abgeben und Drehimpuls übernehmen:$N_2^* + O(^3P) → N_2 + O(^1S)$

Von Dietrich Zawischa 's Atomic Spectra Webseite.

Sauerstoff wird in Höhen über ~150 km häufiger als Stickstoff (siehe Abbildung unten), wo die Hilfe von Stickstoff dann weniger wahrscheinlich ist:

Quelle .

Die Polarlichter werden durch energiereiche Elektronen und Protonen verursacht, die auf die Atmosphäre auftreffen und die Atome anregen, die dann wieder Licht emittieren. Ich habe mehr Hintergrundinformationen in der folgenden Antwort: https://physics.stackexchange.com/a/335325/59023 .

Das rote Licht stammt von atomarem Sauerstoff und hat eine Wellenlänge von ~630,0 nm. Das dominierende grüne Licht stammt von zweiatomigem Stickstoff bei einer Wellenlänge von ~557,7 nm (siehe Bild unten). So viel scheinst du schon zu wissen.

Es spricht nichts dagegen, grünes Licht (zusätzlich zu rotem Licht) in großen Höhen zu emittieren. Warum ist die Spitze der Aurora also rot (ohne eine Spur von Grün)?

Zweiatomiger Stickstoff ist viel schwerer als einatomiger Sauerstoff, dh ~28 amu gegenüber ~16. Wenn sich das Gas also im thermischen Gleichgewicht befindet – alle Bestandteile haben die gleiche Temperatur, aber es können Wärmeströme vorhanden sein – dann hat der einatomige Sauerstoff eine höhere thermische Geschwindigkeit als N ₂ . Somit können die Sauerstoffatome leichter in größere Höhen wandern als die N ₂ -Moleküle ¹ .

Darüber hinaus wird einatomiger Sauerstoff leichter ionisiert als einatomiger Stickstoff mit Ionisierungsenergien von ~1313,9 kJ mol ^-1 bzw. ~1402,3 kJ mol ^-1 (oder ~13,62 eV und ~14,53 eV) (eine vollständige Liste finden Sie unter https:/ /en.wikipedia.org/wiki/Ionization_energies_of_the_elements_(data_page) ). Das setzt voraus, dass der zweiatomige Stickstoff in zwei einatomige Stickstoffatome dissoziiert .

Die Dissoziation von N ₂ erfordert ~945 kJ mol ^-1 oder ~9,79 eV oder ein Photon mit einer Frequenz von ~2,368 x 10 ¹⁵ Hz = 2368 THz oder ~126,6 nm. Dies liegt im Bereich der fernen bis extremen ultravioletten Strahlung ² .$\color{blue}{\textbf{The problem is that $N_{2}$ is mostly transparent to wavelengths near 100 nm.}}$_{Außerdem gelangen die kürzeren Wellenlängen, die von N 2} absorbiert werden , nicht tief genug in die Atmosphäre.

Warum ist die Spitze der Aurora also rot (ohne eine Spur von Grün)?

Seien Sie hier vorsichtig, denn die Unterseite der Aurora hat ebenfalls rote bis magentafarbene bis violette Farben, aber viel blasser. Daher sehen wir sie oft nicht mit unseren Augen, es sei denn, es handelt sich um einen sehr starken geomagnetischen Sturm , in diesem Fall ist der größte Teil der Emission rot und nicht grün ³ .

Fußnoten

1. Die Trennung beginnt oberhalb von ~85 km Höhe aufzutreten.
2. Dies liegt auch im UVC -Bereich, der bis zu ~40-50 km durchdringen kann und den höchsten Wechselwirkungsquerschnitt mit zweiatomigem und dreiatomigem Sauerstoff (dh Ozon) aufweist.
3. Die Emissionen werden auch in viel niedrigeren Breiten als normal beobachtet, manchmal bis hinunter in die Karibik, wie beim Carrington-Ereignis von 1859.