为什么飓风能把天空变成紫色？

中科院物理所

2024-11-12 10:31发布于北京中科院物理所官方账号

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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。

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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。

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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）。
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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，冰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：

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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。

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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。
对卫星来说，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。

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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

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编辑：7号机

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