极光为什么能够五颜六色、千姿百态

马龙

北京市海淀区永定路56号  邮编 100039

文摘：地球磁场像一个大电源，不断地向南、北磁极上空的气体中提供大量的带电粒子，受到空气的电阻绝缘作用，带电粒子通常会长时间的滞留在南、北磁极上空的气体中，由于南、北磁极上空的气体中滞留有大量的带电粒子，其电场作用改变了带电粒子周围气体分子的能级，使其被维持在某一激发态或称亚稳态上，使得气体分子之间的相互碰撞作用足以令气体分子的能级由一个定态跃迁到另一个定态，并可发出各种颜色的极光。由于极光是处于亚稳态的气体分子之间的相互碰撞作用产生的，因此，极光才会如此轻柔、飘忽不定，五颜六色、千姿百态。

近来流行非典，所以单位放假，闲来无事，在书架上随手一翻，就看到了“语文及解题指导”上曹冲老师写的“神奇的极光”一文。文章写得确实很好，一看此文，顿生要亲眼见一见极光之意。但对于极光为何会五颜六色、千姿百态，曹老师的文章没有作进一步的介绍。

真正的极光我没有见过，只是不久前在电视上看见过很短的几幅极光画面，当时没有太注意极光的色彩，只是觉得发出极光的气流看上去非常轻柔，飘忽不定，根本不像带电粒子高速穿过大气层发出的光。为什么极光会五颜六色、千姿百态，并如此飘忽不定地波动，笔者当时也是一头雾水，不知其所以然。

我曾经在1999年2月1日申请的一个专利申请号为99116715.5，发明名称为：“雷达波吸收护面”的国防专利，恰好在2003年5月16日接到一个审查意见通知书，正式通知我由于说明书中缺少试验资料，专利申请要被驳回。结果在无意之中将“雷达波吸收护面”所依据的光电效应阈值可变原理与极光的发光原理联系了起来。笔者认为，正是由于大气层中原子或分子的能级，在地球磁场输送来的带电粒子电场的作用下发生了改变，所以极光才会如此轻柔、飘忽不定，才会五颜六色、千姿百态。

下面首先简单地介绍一下笔者的“雷达波吸收护面”中的光电效应阈值可变原理。

实验表明，金属具有极强的反射雷达波的本领，当雷达波照射到金属表面时，绝大部分会不变地反射回去，小部分进入金属内部转化为焦耳热损耗，金属对雷达波的反射系数在大部分角度都接近于1。但当同为电磁波的紫外辐射这种高频电磁波照射金属时，金属的反射系数将急剧减小，同时表面还会有电子逸出，这种现象称为光电效应。

光电效应表明金属并非绝对的在任何情况下都强烈地反射电磁波，如果电磁波能够使金属产生光电效应，使其原子被激发或电离，则大部分电磁波能量是可以进入金属内部，转化为光电子的动能及焦耳热损耗的。在这种情况下，入射的电磁波将隐入金属原有的热辐射之中，波长不变部分的反射系数会急剧减小。

金属原子的基态是处于较深的负能级状态，雷达波显然不能将其直接激发或电离。但如果我们利用电源向被雷达波照射的金属表面提供大量的负电荷，由于集肤效应，这些负电荷将集中分布在金属材料的表面上，受到空气等因素的电阻绝缘作用，如同势垒阻挡住了多余负电荷飞离金属材料表面。把受雷达波照射的金属视为一个整体系统，则其表面所携带的大量负电荷的能级与金属原子能级相比，其势能函数一个是势垒一个是势阱，并无本质上的差异。有关资料指出：早在电子发现以前，人们就已经发现带电锌质小球在紫外光照射下容易失去负电荷的现象，不难理解，如果带电锌质小球所带负电荷的电量很大、也即其正能级很高的话，那么在可见光、微波甚至长波照射时都会加快其失去负电荷的速度。带电金属材料的“光电阈值”是可以随表面电场强度状态而改变的相对量值，不是绝对的不变量值，本发明的雷达波吸守护面的基本原理，就在其中。

当雷达波照射到带有大量多余负电荷的导体表面时，其所带的负电荷将克服空气等因素的势垒限制作用，从“基态”跃迁到“激发态”或自由态，即飞离导体表面。这一过程是通过吸收雷达波的能量并将其转化为电子的动能来实现的。

令金属表面带有大量的负电荷，还可以改变金属表面上原子的能级。大家知道，导体内部原子的能级可以不受周围静电场的或恒稳电场的影响，但对于导体最外表面上能受雷达波照射作用的原子，其能级会受到表面上多余负电荷电场的电离作用而改变，被维持在某一激发态或称亚稳态上。雷达波的能量虽然很弱，甚至不能使处于基态附近原子的能级由一个定态跃迁到另一个定态。但如果原子在表面上大量负电荷电场的电离作用下被维持在高能级的激发状态上，则其能发生光电效应的所谓光电阈值就会大大降低，成为受导体表面电荷面密度影响的可调控的物理量。通过改变导体表面电荷面密度将其光电阈值调控在雷达波的频率下，受雷达波照射时导体表面的原子就会立即发生原子性质的光电效应，伴随着雷达波能量朝原子钟电子的转移，使导体表面对雷达波的反射系数急剧减小。

金属表面的原子在失去电子后会再捕获电子，恢复到亚稳态或基态，并放出相应能量的光子。大量原子受雷达波照射时跃迁到更高能级的激发态或电离态后再捕获电子并向外发射光子时，不一定正好回到原亚稳态，而是向包括基态在内的所有各低能级跃迁，向外发出的光子能量将是包括了雷达波、原子的热辐射和周围的负电荷等所有作用于原子的能量，故该光子的波长与雷达波的波长会相差很多，而与导体表面的热辐射波长基本相同，从而使雷达波被隐入到导体表面的热辐射中去了，不可能被雷达波的接收系统识别接受到。

必须强调，只有在金属表面大量原子都处于可被雷达波激发或电离的亚稳态时，才能有效的将雷达波隐入原子热辐射的谱线中去，此时仅仅是表面原子热辐射的波长会比没有雷达波照射时短一些。而在通常情况下，由于原子向外热辐射时各定态之间的“台阶”太高，雷达波甚至不能将处于热辐射激发态的原子至少推高一个能级，故雷达波才被不变地反射回去，不能隐入原子的热辐射光谱中。

以上即为笔者发明的“雷达波吸收护面”的光电效应阈值可变原理。笔者认为，上述光电效应阈值可变原理同样可以用来说明极光为什么会五颜六色、千姿百态，并能够飘忽不定的波动。

众所周知，极光是太阳风（高速带电粒子流）、地球高空大气层和地球磁场相互作用的结果。由于地球磁场将进入地球高空大气层的高速带电粒子流汇聚成束，聚焦到地球的南、北磁极附近，使得南、北磁极上空的气体中带有大量的带电粒子。南、北磁极上空气体的基态本来是处于较深的负能级状态，仅仅气流波动造成气体分子之间的相互碰撞作用显然不能将气体分子激发或电离，因此，地球上大部分地区的夜空通常是黑暗的，不会产生极光。但地球磁场像一个大电源，不断地向南、北磁极上空的大气层中输送大量的带电粒子，受到空气的电阻绝缘作用，带电粒子通常会长时间的滞留在南、北磁极外围高空的气体中，由于南、北磁极高空压力较低的气体中滞留有大量的带电粒子，其电场作用改变了带电粒子周围气体分子的能级，使其被维持在某一激发态或称亚稳态上，使得气体分子之间的相互碰撞作用足以令气体分子的能级由一个定态跃迁到另一个定态，并可发出各种颜色的极光。

气体之间的相互碰撞作用的能量虽然很弱，一般不能使处于基态附近气体分子的能级由一个定态跃迁到另一个定态。但如果气体分子在周围大量负电荷电场的电离作用下被维持在高能级的激发状态上，则其相互碰撞时能发出各种颜色光线的几率就会大为提高，气体分子周围带电粒子密度不同，气体分子之间的相互碰撞作用所发出光线的色彩也会有所不同。

气体分子通过相互碰撞作用跃迁到激发态后，还会恢复到亚稳态或基态，并放出相应能量的光子。大量气体分子通过相互碰撞作用跃迁到更高能级的激发态或电离态后再捕获电子并向外发射光子时，不一定正好回到原亚稳态，而是向包括基态在内的所有各低能级跃迁，向外发出的光子能量将是包括了分子相互碰撞作用、气体分子的热辐射等所有作用于气体分子的能量，由于极光是处于亚稳态的气体分子之间的相互碰撞作用产生的，因此，极光才会如此轻柔、飘忽不定，才会五颜六色、千姿百态。

大气层中的带电粒子是一种非稳态粒子，很容易通过相互中和失去所带的电荷，带电粒子在朝向地球的南、北磁极聚焦的过程中，会大量的相互中和，真正能到南、北磁极点上空的带电粒子反而不是很多。因此，在南、北磁极点上空出现极光的几率要小于其外围。

不难理解，如果太阳发出的高速带电粒子流异常的强烈，使得赤道上空的大气层中带电粒子密度急速升高，其电场作用足以将空气中大量气体分子维持在某一激发态或称亚稳态上，则人们就有可能在一个更广阔的范围内看见神奇的极光。

必须强调，只有在南、北磁极外围高空大量气体分子都处于可被气体分子通过相互碰撞作用激发或电离的亚稳态时，才能产生美丽、奇妙的极光。而在通常情况下，由于气体分子向外热辐射时各定态之间的“台阶”太高，气体分子的相互碰撞作用甚至不能将处于热辐射激发态的原子至少推高一个能级，绝大多数气体分子将被不变地反弹回去，不能产生极光现象。

顺便指出，在闪电所发出的光中，也有通过带电云团中气体分子相互碰撞作用产生的，其道理如上所述。通过这种形式产生的光相对较柔和，且不会有放电产生的巨响，但由于带电云团中电荷密度远大于发出极光的气团，带电云团中气体分子相互碰撞作用产生的光的强度自然要远远大于极光。

2003年5月20日于北京