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为什么飓风能把天空变成紫色?

2024-11-17 12:41中科院物理所(Rhett Allain)22评

就在飓风米尔顿以 3 级飓风强度袭击佛罗里达之前,许多人发现上空变成了一片诡异的紫色。这是世界末日的预兆吗?某种程度上是的 —— 是我们自己造成的气候灾难。然而,这依然是一种可以用科学解释的自然现象

光与颜色

可见光是电磁波谱中的一小段,波长范围从700 到 380 纳米(纳米是十亿分之一米)。在这一范围内,我们的眼睛会将不同的波长按从长到短的顺序排列(即彩虹的顺序)解读为不同的颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫

实际上,我们的眼睛只有红、绿、蓝三种颜色传感器。各传感器通过检测的光强差异和三种颜色的混合,就形成了我们所看到的各种颜色。如果眼睛接收到所有颜色的光量相等,所见颜色将是白色。而紫光则是接近 380 纳米的单一波长,是人眼能看到的极限。

为什么天空会有颜色?

既然太阳发出的是白光,为什么天空会显示出不同的颜色呢?原因在于电磁波遇到大气中的微小颗粒时会发生散射。具体的效果取决于粒子的大小和光的波长。当遇到非常微小的氧气和氮气分子时,短波长光(蓝色和紫色)比长波长光(红色和橙色)更容易被散射。

这意味着,当阳光穿过大气层时,红光和黄光大多会直接穿透,而蓝光和紫光则被散射开来。如果你站在地面向上看,就会看到那些散射的蓝色和紫色光,这就是为什么晴天的天空呈现蓝色

这也解释了为什么日落或日出时太阳会显得更红。当太阳靠近地平线时,白光需要穿过更厚的大气层,这进一步散射了蓝色光,留下更多的红光,使得夕阳显得格外红艳。

为什么天空不是总是紫色的?

等一下,既然短波长的光比长波长更容易被散射,那紫色光比蓝色更易散射,那为什么天空通常不是紫色的呢?这是个好问题,原因有两个:

首先,太阳发出的光强在不同颜色上并不相等。事实上,太阳在较大波长(红色和绿色)上的光强高于较短波长(蓝色和紫色)。因此,当阳光照射到大气层时,蓝色光比紫色光更多

其次,与人眼有关。由于我们主要感知红、绿、蓝三种颜色,我们的眼睛对短波长的紫色不如对蓝色敏感。所以,即便天空散射了蓝色和紫色光,眼睛还是会偏向接收蓝色。实际上,天空可能比我们想象中更偏向紫色。

还有一个现象你可以自己观察:天空并不是单一的颜色。尽管有一种叫“天蓝色”的蜡笔颜色,但现实中的天空是多种颜色的混合,这正是天空美丽的原因。

紫色飓风

飓风当然不是紫色的 —— 这一点我们都知道,不过称其为“紫色飓风”倒是很有趣。那么,是什么原因导致飓风让我们看到紫色的光呢?首先,这通常出现在太阳靠近地平线时,光线需要穿过更多空气。黄昏或黎明的红色光与散射的蓝紫色光叠加,形成紫色调

此外,大气中并不只是纯净的空气,还有水汽、尘埃和碎屑,这些都会引起散射,而飓风期间这种成分会更多。最后,飓风带来的云层覆盖会遮挡住蓝色的天空。所有这些因素共同作用,形成了天空中丰富多彩的颜色,其中之一便是紫色。

这些疯狂的北极光是怎么回事?

北极光通常只在遥远的北方才能看到,但今年五月,夜空中却出现了粉红色和绿色的光幕,甚至在美国南部的德克萨斯和夏威夷(中低纬度地区)也清晰可见,许多人纷纷停下车驻足拍照。

这种奇景起源于一次特别强烈的太阳风暴——太阳高速喷射出的带电粒子流。而且,随着我们接近本次太阳周期的峰值,这类现象将更频繁出现。每隔 11 年,太阳活动进入高峰期,增加了太阳风暴的几率,这也是一种“空间天气”现象,即太阳与地球之间的相互作用。空间天气带来的结果并不都是绚丽的,其中有些具有危险性。不过它背后的物理学原理很有意思,一起来看看吧!

飘来的太阳风

你或许认为太阳是一团巨大的火焰,但事实并非如此。(火焰是一种可燃物和氧化剂之间的化学反应。)真正情况其实是,太阳是一个巨大的核聚变反应堆。在太阳核心,质子在极高压下相互碰撞结合,形成含有两个质子和两个中子的氦原子核(其中两个质子衰变成中子)。

图源:Rhett Allain

不过,氦原子核的质量比起始的四个质子质量更小。这并不是质量消失了,而是根据爱因斯坦著名的方程 E = mc2,被转化成了能量。光速非常快,每秒 30 万公里,再将其平方,意味着哪怕是微小的质量损失,也会释放出大量能量。这就是太阳炙热的原因,其核心温度高达1482 万摄氏度,相当高!

在这种极端高温下,太阳外层的气体形成了一种等离子体状态,电子被从原子中剥离,留下大量自由的电荷(主要是电子和质子)高速运动,其中一些粒子的速度足够快,可以逃脱太阳的引力。这些被喷射出的粒子就是“太阳风”。

太阳风撞击彗星时你就能看到它的效果。彗星基本上是围绕太阳运转的“脏雪球”,当它靠近太阳时,会直接升华转化为气体。部分气体获得足够能量电离(电子从原子中逸出),形成带电的气体。当太阳风吹过时,它将这些电离气体推离彗星本体,形成一条长达数千万英里的尾巴。

有趣的事实是:彗尾并非像飞机尾迹一样位于彗星后方,而是朝向太阳相反的方向—— 基本上是彗星飞行方向的侧面

为什么是现在?

每隔 11 年,太阳风的活动为什么会如此剧烈呢?和地球一样,太阳也有磁场,但它非常不稳定。由于太阳不是固体,内部各部分以不同速度旋转,造成磁场扭曲变形,并在大约每隔 11 年彻底翻转一次极性。上次翻转发生在2013年,而现在正是2024年。

这些移动的磁力线会穿透太阳表面,形成黑子和壮观的等离子体喷发,即所谓的太阳耀斑。这是怎么发生的呢?当电荷高速运动时,它们会受到磁场的推拉作用。你可以通过铜线和电池来亲自观察这个现象。如果将铜线放置在静止的磁铁旁边,然后连接电池形成电流铜线会发生移动。可以试试看:

视频来源:Rhett Allain

在太阳活动周期的峰值阶段,就会发生这种现象:喷发的磁场将日冕中的自由电子和质子拉出,并以每小时高达 241 万公里的速度抛入太空。当这种活动达到极致时,就被称为日冕物质抛射。5 月 10 日正是这样,连续三次的物质抛射引发了几十年来最强的太阳风暴。专家表示,这可能带来了500 年来最壮观的极光景象。

为什么天空会亮起?

最后的问题是:为什么太阳风会让地球大气层亮起那样的光芒?其实,这种现象与酒吧霓虹灯的发光原理类似。

图源:Rhett Allain

霓虹灯是充满氖气或其他气体的玻璃管,当电流从一端流向另一端时,电子会撞击氖气中的电子,将它们推向更高能级。当这些电子平静下来回到基态时,会发出光。光的颜色取决于能量的变化,不同气体(如氩气、氙气或汞)能产生不同的颜色。

在北极光中,发光的并非霓虹灯,而是大气中的气体氧气在低海拔时发出绿色光,高海拔时发出红光。氮气则发出蓝色或紫色光。黄色和粉色通常是气体混合而成,且只在最强的太阳风暴中才出现。这些气体因太阳高能粒子与地球磁场的波动而被激发,碰撞能量更高,因而产生极光

等等,地球磁场也在变化?是的,这正是因为太阳风的缘故。就像运动的电荷在磁场中受力,它们同时也会产生磁场。当大量带电粒子如雨点般落向地球,地球的磁场会被拉扯和扭曲,引发天空中的炫目光带

还有一个有趣的事实:白天也有极光,只是看不见而已。

不只是漂亮的极光

然而,空间天气并不只有绚丽的光景。对于国际空间站上的人类,或高空飞行的航天器,这些高速带电粒子其实是一种不受欢迎的辐射。这种情况下主要是 β 射线,也可能包含少量的 α 粒子。

卫星来说,太阳风会导致电荷堆积,损坏卫星执行任务所需的电子元件。并且,随着地球吸收更多太阳能量,大气会变暖膨胀,增加了低地轨道航天器的阻力,使其减速,最终可能偏离轨道甚至掉落

在地面上,太阳风暴也可能干扰通信和导航系统,甚至引发停电。还记得我们提到过电流会产生磁场吗?其实反过来也成立:变化的磁场可以生成电流。这里有一个演示:笔者将一根线圈连接到电流表上,但这次没有使用电池。当移动磁铁时,线圈中就会产生电流

视频来源:Rhett Allain

将这一原理应用到电力线上,微小的磁场变化会生成额外电流,可能烧毁变压器。1859 年,太阳风暴击中了电报线路,甚至让电报局着火。

始终令人感到惊讶的是,距离我们 1.5 亿公里的太阳上的活动,竟会影响地球上的事件 —— 这就是空间天气!

作者:Rhett Allain

翻译:Aegon

审校:7 号机

原文链接:What’s Up With These Crazy Northern Lights?

本文来自微信公众号:微信公众号(ID:null),作者:Rhett Allain

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