气辉

[拼音]：qihui

[外文]：airglow

地球高层大气吸收了太阳电磁辐射能量后产生的一种微弱光辐射。气辉出现在地球上空 50～500公里之间，气辉亮度比极光低得多，分布也均匀，因而不易为人们察觉。只有在太空环绕地球飞行的宇航员，能在地平方向，离地面100公里高度处，目视到一条圆弧形绿色光带，这是气辉光谱中氧原子绿线的薄薄发光层。（见彩图）

气辉发现于20世纪初。那时，天文学家由研究夜晚天空的亮度和总的星光，确认天空的亮度除了来源于星光之外，还有来自地球大气的部分，并把这种高层大气发射的光称作地球光。又因为这种光中总有一条在极光光谱中出现的绿色谱线，所以也称其为永极光或非极区极光。直到1950年，才将这种高层大气的微弱光辐射称作“气辉”。气辉地面观测技术在国际地球物理年(1957～1958)和国际宁静太阳年(1964～1965)期间得到了很大发展，许多国家的台站有组织地进行观测，取得了丰富的资料。放在火箭和卫星上的仪器，把观测范围扩大到了紫外和红外波段，并且能非常有效地测量气辉发射率的高度分布和全球分布。

气辉是地球高层大气中的重要发光现象，对气辉的观测和研究，有助于人们对高层大气结构以及高层大气物理、化学过程的了解。金星、火星和木星大气在太阳辐射作用下也发生气辉现象，称为行星气辉。对行星气辉的观测和研究，有助于对行星大气的了解。

分类

按照高层大气接受太阳照射情况的不同，气辉分为夜气辉、昼气辉和曙暮气辉 3类。夜气辉发生在夜间高层大气没有太阳光照射的条件下，它和星光、黄道光、银河光一起统称为夜天光。夜气辉的发射强度在3类气辉中最低，在可见光波段的光度大于星光的光度，约占无月夜晚天空总光度的40％。昼气辉发生在白昼，这时太阳辐射来自气辉发射层之上。昼气辉的光谱成分最丰富，发射强度也最大，但是由于白昼散射光很强，需用光谱分辨率很高的仪器，才能在地面观测到它。曙暮气辉发生在日出前和日落后，太阳天顶角大约在90°～110°之间的时候，此时低层大气已处于地球阴影之中，高层大气仍然接受到来自下方的阳光照射。曙暮气辉的发射强度低于昼气辉，高于夜气辉。

激发机制

气辉发射所需要的能量是由太阳电磁辐射供给的。太阳辐射通过直接和间接的作用，使高层大气中的原子、分子和离子激发到较高的能态，激发粒子由高能态跃迁到较低的能态时发射光子，即产生气辉。共振散射、荧光散射和光电子碰撞等过程，都发生在太阳辐射被大气粒子吸收后很短的时间内，这就是昼气辉和曙暮气辉的激发机制。在大气中进行的化学反应、离解复合和辐射复合等过程激发产生的气辉，是太阳辐射间接作用的结果。这类过程不只发生在白昼，也发生在夜晚，它们将高层大气在白昼吸收并以离解能和电离能形式储存起来的辐射能量，徐徐转变为粒子的激发能，成为夜气辉的主要激发机制。

在高空通过各种途径被激发的粒子，在发生辐射跃迁前，可以与别的粒子发生碰撞失去能量而去活（或猝灭）。激发态的辐射寿命愈长，去活的几率就愈大。这种与激发相反的过程，起着减低激发粒子数的作用。

光谱

气辉在可见光、紫外和红外很宽的波段都有发射，光谱中包含有许多原子、分子和离子的谱线或谱带，在可见光和近红外区还叠加有连续谱。目前观测到的波长最短的谱线在远紫外区，波长最长的谱线是氧原子的63微米辐射。在紫外和远紫外区光谱中，有氢、氦、氮和氧的原子线，还有氧、氮分子和一氧化氮分子的谱带。在可见光波段中，有波长为5577埃的氧原子绿线、波长为6300埃和6364埃的氧原子红线、钠原子黄线和氮分子离子的谱带为重要的光谱成分。羟基(OH)和氧分子在近红外波段的辐射，是气辉光谱中最强的发射。此外，高层大气中的微量成分，如NO、CO、CO₂、H₂O和O₃在红外波段的某些谱带也出现在气辉中。

在气辉的各种光谱成分中，研究得最多的是以下一些谱线和谱带：

（1）氧原子绿线　最早在极光光谱中发现，有“极光绿线”之称，是夜气辉可见光波段最强的谱线。绿线在100公里高度的发射层，正处于高层大气中氧原子密度最大的高度，发射绿线所需要的能量是氧原子缔合为氧分子时释放的离解能供给的。

（2）氧原子红线　红线为双线，发射高度在150～300公里之间。在夜气辉中，发射氧原子红线的激发态原子是离子O娚和NO⁺离解复合产生的，因而发射强度与F₂层的电子密度密切相关。在电离层赤道异常区，氧红线增强，形成所谓赤道红弧。

（3）碱金属共振线　在高层大气中有一个碱金属层，含有Na、Li和K，高度在80～110公里。钠自由原子的丰度很低，在90公里高度的最大数密度不超过10⁴厘米^-3。钠黄线有很高的发射率，在昼气辉可见光波段是最强的谱线。锂和钾的丰度比钠更低，它们的共振线已在曙暮气辉中观测到。

（4）羟基(OH)振动－转动带　由OH电子基态的振动能级间的辐射跃迁产生，出现在可见光和3微米以内的波段，最强的谱带在 1.5微米附近。OH的发射在昼气辉和夜气辉中都是最强的，它的激发机制是中层大气中氢原子和臭氧以及处于振动激发态的氧原子间的化学反应。

（5）氧分子带系　气辉光谱中的氧分子带系有 3个。赫茨伯格带系在紫外波段，大气带系和红外大气带系在近红外波段。3个带系的发射高度都在100公里以下。出现在夜气辉中的赫茨伯格带系与氧原子绿线，在发射强度和体积发射率的高度分布上有很好的相关性。

（6）氮分子离子第一负带系　N娚第一负带系出现在昼气辉和曙暮气辉中，最强的谱带带头的波长为3914埃。N娚第一负带系在极光光谱中是非常强的光谱成分，但在夜气辉中极为微弱，这是人们早已注意到的两者在光谱特征上的差别。

（7）氢原子赖曼α 谱线　氢原子共振线赖曼α 的波长为1216埃，是地冕发射的主要谱线，也是气辉远紫外波段最强的谱线。

人工气辉

一些用火箭带到高空释放的化学物质，可与大气成分发生化学反应或散射太阳光，形成发光现象，称为人工气辉。常用的释放物质有碱金属、碱土金属、铝及氮的氧化物等。一氧化氮与高空的氧原子作用，发射出二氧化氮余辉的连续谱，被用来测量氧原子的密度。钠云的扩散和漂移，被用来测量高层大气的温度、密度和高空风速度。钡原子有很高的电离截面，跟踪钡云可获得电离层电场和磁场的分布。化学释放已成为研究高层大气的主动实验方法之一。除化学释放外，电离层加热试验和高空核爆炸，都能在较大的空间范围增强某些气辉光谱成分的发射强度。

参考书目

1. J.W.Chamberlain， Physics of the Aurora and Airglow，Academic Press，New York，1961.
2. M.J.McEwan and L.F.Phillips， Chemistry of the Atmosphere，Edward Arnold，London，1975.