极光为什么是绿色：北极村庄中的颜色、高度与磁暴

你站在什么地方

极光为什么是绿色？主要是高层大气中的氧原子被电子撞击后发光。北极光照片常拍到暗色风景上方的明亮绿色光幕，湖泊或峡湾又把它倒映一次。本展品让你站在这幅景象中：夜晚的北极小村庄，脚下是冻湖岸边，背后是木屋，西边有云杉林，东边山丘上有瞭望塔，湖对岸有小观测站。头顶天空用科学家描述极光的同一组数值计算光的形态。

山谷宽约 700 m。村庄位于中央平坦台地上，有十二座亮着窗灯的木屋、带钟的木礼拜堂、桑拿房和伸到冰上的栈桥。北面的湖是覆有积雪的黑冰。一条压实的雪橇道环湖而行，穿过树林。山丘高 34 m，顶部的 9 m 高塔可一览整片天空。观测站有磁力仪小屋、玻璃罩下的全天相机，以及显示两者测量结果的双屏看板。

你可以改变天空。磁暴强度（Kp 指数）、电子能量、时间、日期、地点、云、月亮和相机快门都能调整。每项都让极光像真实现象一样变化。场景左侧的读数说明原因，包括你的地磁纬度、卵形带边缘位置、绿光与红光的高度和太阳位置。读数上方的小图从极点上空显示卵形带，并标出你的地点。

最初十秒

展品从 2 月深夜开始，纬度与挪威北部的特罗姆瑟相同，Kp 为 3+，即将到磁午夜。亚暴正在爆发，光幕变亮、折叠，光束向上延伸，湖上裸冰再次映出它们。拖动向上看。绿光始于你上方约 100 km；这样的晴夜中，它足以让雪地泛出微弱绿色。

光从哪里来

极光是高速电子撞击空气时发出的光。NOAA 空间天气预报中心的解释很直接：电子在地球夜侧磁尾以及更靠近地球的极光磁力线上加速，沿磁场进入两极附近高层大气，与氧和氮碰撞。原子和分子通过碰撞吸收能量，再以光释放，类似霓虹灯中的气体。质子也能产生极光，但它微弱、弥散，通常难以看见。

磁力线决定这一过程在哪里发生。赤道附近的磁力线高悬地面，在遥远太空闭合；两极附近则陡然进入大气。制造极光的电子沿伸向夜侧磁尾的磁力线下降，这些线在各磁极周围的一条带上连接地面。NOAA 给出的范围是：极光通常在地表上方 80 至 500 km 形成，最佳观测区在约 60° 至 75° 纬度的光带下方，那里一年超过半数夜晚可能看见极光。

太阳提供能量，但不是直接提供。太阳风是来自太阳的稀薄带电粒子流，它挤压磁场，在夜侧将磁场拉成长尾。能量在其中积累，再成批释放。太阳抛出的巨大等离子体云，即日冕物质抛射，撞上地球时，磁场扰动更强，极光变亮并向赤道移动。

为什么有绿色和红色

颜色主要来自氧原子。NOAA「球面科学」资料指出，最常见的是特定波长 557.7 nm 的淡黄绿色，另一常见颜色是同样来自氧的 630.0 nm 红光。光束下缘可能有来自氮离子的 427.8 nm 蓝紫光。NASA 极光资料给出的高度是：绿光约在 100 至 200 km，红光在 200 km 以上，氮的蓝光在 100 至 200 km，氮的粉色或红紫光则在约 100 km 以下。

同一种原子为什么低处发绿光、高处发红光？氧原子受到激发进入发绿线的状态后，通常约一秒内放出光子。发红线的状态维持得久得多，平均约 110 秒。200 km 以上空气稀薄，受激原子可以等那么久而不撞上其他粒子，红光便能发出。低处碰撞频繁，原子先把能量交给邻近粒子，红光还未来得及出现。630.0 nm 辐射模型把这叫作猝灭。因此高度将颜色分层：红在上，绿居中，发光更快的氮位于底缘。

展品用遵循这些规律的四层辐射构建每道光幕。着色器在弯曲地球的大气中，沿每条视线从 85 km 追踪到红层顶部。视线在不同高度穿过光幕图案，叠加那里明亮辐射层的光。这就是光幕底部锐利而绿、顶部逐渐变红的原因。

每个高度一种颜色

开启高度尺，就能把极光与熟悉的事物相比。人高 1.7 m，客机约在 11 km 巡航，珠穆朗玛峰顶略低于 9 km。绿光始于约 100 km，大约是客机高度的九倍，也是岸边人偶身高的 59,000 倍。国际空间站在约 410 km 高处运行，位于红层的高度范围内，因此宇航员常向下看绿色、横向看红色。

高度尺沿极光方向放在至少 450 km 远处，这样 100 km 和 400 km 都能装进同一视野。由于地球曲率，标记并不等距排列：从远处看，400 km 相对地平线的高度角仅为 100 km 的几倍。

电子能量决定高度

电子能深入多低，取决于能量。高速电子在逐渐变密的空气中走得更远，才耗尽能量。电子沉降研究发现，10 keV 电子的电离峰在约 110 km，低于 0.1 keV 的电子则在约 250 km。约 100 keV 电子可降到约 80 km。展品用平滑曲线连接类似数值：0.1 keV 停在约 235 km，1 keV 在约 145 km，3 keV 在约 125 km，10 keV 在约 110 km，30 keV 在约 96 km，100 keV 在约 80 km。

电子能量滑块展示这一结果。低于约 1 keV 的软电子在高空发光，那里红线能保留，极光变红。20 keV 或以上的硬电子让光幕延伸到 100 km 以下，形成氮的粉色下缘。多数明亮光幕由几 keV 的电子形成，滑块也从这个范围开始。

卵形带是环，不是帽

人们常把极光想成北极点上方的一片光。从太空看，它是环。NOAA 描述南北各有一个卵形带，分别环绕磁极。平静时光环宽几百千米，离地理极点很远。北极点本身通常在环内，处于极光稀少的极冠下方。因此适合观测的是特罗姆瑟、基律纳、费尔班克斯和耶洛奈夫这样的城镇，而非极点。

环的中心不是地理极点，而是地磁极。IGRF 地磁场模型给出的 2025 年位置约为 80.8° N、72.6° W，在加拿大北极地区朝格陵兰一侧，距北极点约 1,000 km。光环也不对称，夜侧比日侧更靠近赤道。早期卫星拍到它近似为偏离极点的圆；Holzworth 和 Meng 在 1975 年表明，略加修正的偏心圆可以很好地描述它。

场景小图从极点上空绘出展品使用的卵形带，磁午夜在底部。调整时间时，地球在相对太阳固定的卵形带下旋转。提高 Kp，光环就扩大。

磁暴为什么把卵形带推向赤道

卵形带是夜侧磁尾磁力线到达地面的区域。太阳风压力增大，尤其是其携带磁场朝南时，更多地球磁场被打开并拉进磁尾。两极上空开放磁力线构成的极冠扩大，周围卵形带也随之扩大。Holzworth 和 Meng 从卫星照片发现，卵形带大小随太阳风磁场的南向分量变化。Carbary 利用 NASA Polar 卫星的紫外图像得到经验规律：Kp 每升一级，最亮部分约向赤道移动 1° 磁纬度。

因此强磁暴对北极城镇不一定是好消息。Kp 7 时，模型的卵形带边缘在午夜降到约 53°。地磁纬度 67.5° 的特罗姆瑟便在最亮极光的极地侧，光幕出现在南方天空。导览会展示这一点：越过村庄向南看。

磁暴数字 Kp

Kp 指数衡量地球磁场的扰动程度。它每三小时由亚极光纬度 13 座观测站的磁力仪记录计算，范围 0 至 9，以三分之一为步长：0、0+、1-、1、1+，一直到 9，共 28 级。NOAA 用它确定地磁暴等级。Kp 5 为小磁暴（G1），Kp 6 中等（G2），Kp 7 强（G3），Kp 8 严重（G4），Kp 9 极端（G5）。NOAA 估计一个 11 年周期约有四次 G5 磁暴。

同一张表也给出极光大致能到哪里。Kp 5 时，高纬地区如密歇根州北部和缅因州常可看见。Kp 6 时曾低至纽约州和爱达荷州，典型地磁纬度为 55°；Kp 7 时低至伊利诺伊州和俄勒冈州，典型值 50°；Kp 8 时低至阿拉巴马州和加利福尼亚州北部，典型值 45°；Kp 9 时低至佛罗里达州和得克萨斯州南部，典型值 40°。

展品的 Kp 滑块使用相同的三分之一步长。标签采用正式记法，因此 3+ 表示三又三分之一。

模型如何确定卵形带位置

本展品卵形带边缘来自一项研究。Gussenhoven、Hardy 和 Heinemann 使用每天多次穿过极光区的 DMSP F2 与 F4 气象卫星电子探测器，找到弥散极光赤道侧的终止边缘。他们针对每个磁地方时小时拟合直线 Λ = Λ0 + α·Kp，其中 Λ 是边缘的修正地磁纬度。磁午夜附近（00 至 01 MLT）的拟合为 66.1° − 1.99° × Kp；接近正午的 11 至 12 MLT 为 70.1° − 1.25° × Kp。Kp 每升一级，夜侧边缘向赤道移动约 2°，日侧较少。

展品平滑混合各小时直线，表中两个空缺（02 至 04 MLT 和 13 至 15 MLT）用相邻小时之间的直线插补。原始样本约到 Kp 6，因此 Kp 7、8、9 是外推。上表将模型与 NOAA 描述并列：NOAA「通常可见的最低纬度」位于边缘刚到头顶的位置与红顶刚能从地平线露出的最远位置之间。

亮带宽度是我们采用的经验设定，而非数据拟合：平静时午夜约 8°，Kp 每升一级加宽 0.4°，正午附近约 7°。亮度在午夜前最高，正午附近最低。NOAA 自己的 30 分钟极光预报使用另一种 OVATION Prime 模型，由太阳风测量驱动，而非 Kp。

你的地磁纬度

卵形带以地磁极为中心，因此地理纬度不能很好地判断极光机会。特罗姆瑟在 69.7° N，地磁纬度约 67.5°。费尔班克斯在 64.8° N，地磁纬度却约 65.6°，因为阿拉斯加在地磁极倾斜朝向的一侧。首尔在 37.6° N，地磁纬度仅约 28.9°，因为东亚在另一侧。欧洲或北美与首尔同地理纬度的城市会有更好的机会。

打开「我」，选择城市、使用定位或输入经纬度。展品根据 IGRF 偶极子计算地磁纬度，并告诉你两个 Kp 值：磁午夜卵形带边缘到达头顶所需值，以及极光顶端红光越过地平线所需值。极光图鉴的城市列表也对 40 个地点作同样计算，从特罗姆瑟、朗伊尔城一直到新加坡。输入的信息不会离开设备。

从远处看极光

不必在卵形带下方也能看见极光。100 km 高的光幕可从很远处看见，低悬地平线，如远望山脉。地球曲率带来了极限。高度 h 的光刚好接触地平线时，地面最远观察点沿地表的角距离为 θ，满足 cos θ = R / (R + h)，其中地球半径 R 为 6,371 km。110 km 对应约 10.6° 纬度，约 1,200 km；400 km 对应约 19.8°。

这就是红色顶部对远离卵形带的人重要的原因。强磁暴让卵形带靠近赤道，红层也升高，此模型 Kp 9 时最高达 475 km。从相距 20° 的城市看，绿幕在地平线下，红顶却刚露出来。

实际观测不只取决于几何。山丘、霾、城市灯光和近地平线的微弱光线都会妨碍观看。因此，上表 NOAA 的典型界线远在几何极限的极地侧。

韩国与 2024 年 5 月磁暴

2024 年 5 月 10 日，一系列日冕物质抛射抵达地球，引发自 2003 年以来首次 G5 磁暴。NASA 称它为 20 年来抵达地球的最强太阳风暴，并提到极光报告低至 26° 磁纬度。在此模型中，Kp 9 时红顶刚能越过地平线的纬度低至 27.2°，与报告接近。

韩国天文研究院（KASI）公布了韩国的观测。普贤山天文台高层大气观测系统（TIMOS）的全天相机通过红色 630.0 nm 滤镜，在磁暴期间记录到北方红光。KASI 位于蒙古和美国的广视场望远镜也拍到红极光。5 月 12 日凌晨，龙仁儿童天文台的业余天文学家在江原道华川拍到红极光。KASI 指出，普贤山全天相机也曾在 2003 年 10 月 30 日万圣节磁暴期间拍到红极光。KASI 研究人员后来描述了同次磁暴中韩国上空电离层的大幅变化：夜间总电子含量上升并出现强闪烁，次日则比正常水平低了超过 70%。

导览把你带到 Kp 9、接近磁午夜的首尔。只有一层薄红光越过北方山脊，湖中映出倒影。韩国大致只能期待这样的景象，而且需要太阳周期中最强的磁暴之一。

一夜之间：光弧、爆发与斑块

NOAA 描述了典型的一夜。傍晚，极光形成从一侧地平线延伸到另一侧的弧。深夜接近午夜，光弧开始扭动摇摆，仿佛风吹光幕。某一刻它可能扩展到整个天空，快速移动并变得很亮，这就是极光亚暴的高峰。凌晨形态变得像云，这些弥散斑块常会连续数小时明灭。

Syun-Ichi Akasofu 在 1964 年通过全天相机影片描述这一过程，称为极光亚暴。磁尾储存的能量释放，爆发通常始于磁午夜附近。临近早晨的脉动斑块来自被合声波散射出磁层的电子；Nishimura 及同事在 2010 年表明，斑块与波会同时开启和停止。

只要你在夜侧且 Kp 达 3 或以上，展品就运行这样的循环：约 40 秒缓慢变亮，随后约 20 秒爆发，光束加速，光带向极地扩展，再进入恢复阶段。磁地方时 03 至 09 时，光幕由闪烁斑块取代。

磁力仪与全天相机

爆发期间，一股强大的西向极光电集流沿极光在头顶约 100 km 高处流动。地面磁力仪将其感知为磁场北向分量下降。观测站看板绘出最近 60 秒的这类曲线。Kp 4 或 5 的爆发中，它会下降数百纳特斯拉；地球总磁场约为 50,000 nT。Kp 指数本身就来自更远离极点的观测站所记录的这类曲线。

旁边是全天相机：玻璃罩下的鱼眼镜头一次拍下两侧地平线之间的整片天空。因为是仰望，图像北朝上，东在左。屏幕用鱼眼投影显示你周围同一个天空着色器的画面。

极夜与午夜太阳

北极圈以北，冬季一段时间太阳整天在地平线下。展品根据 NOAA 太阳方程计算太阳位置；若正午太阳中心仍低于地平线 0.833° 以上，就计为极夜。该角度考虑大气折射与太阳半径。在特罗姆瑟，算得 11 月 29 日至 1 月 15 日共 48 天；斯瓦尔巴朗伊尔城为 111 天。

北极圈线上本身没有极夜。紧靠该线的罗瓦涅米在最短的一天仍能看见太阳上缘，因为空气把太阳影像抬高约半度。极夜需要稍偏北的纬度。

黑暗使极光可见。极光纬度的夏季，午夜太阳让人无法观测。展品在太阳接近地平线时让极光淡去，并在晨昏用阳光照亮高光束顶部：受阳光照射的氮离子发出紫光，因此一些照片中绿幕顶部会呈紫色。

肉眼与相机

极光照片通常比亲眼看到的天空更亮、更鲜艳。NASA 极光信息图直接指出：肉眼往往看不到这么亮的极光，但相机能详细捕捉暗弱极光。相机会在快门开启期间持续累积光，两秒、十秒、三十秒都可以，肉眼却做不到。极暗时眼睛依靠不能辨色的视杆细胞，所以微弱极光可能像灰云，直到变亮才显色。

快门控制有两种作用。实时视图中，它调整场景亮度，类似相机屏幕。照片模式按下「拍摄」后，展品绘制曝光时段内的多帧画面，让极光在帧间移动，再把光叠加。1/30 s 时照片很暗，10 s 时光幕明亮平滑，30 s 时快速移动的部分模糊成柔光，雪地过曝。把快门设为「肉眼」，可以近似看到肉眼效果：暗弱部分失去颜色。

南极光

南卵形带环绕南地磁极，位于南大洋与南极洲上空。连接北卵形带的大多数磁力线也连接南卵形带，因此磁暴会同时点亮两者。但它们并非精确镜像。Laundal 与 Østgaard 使用两颗卫星同时拍摄两侧，发现哪边更亮取决于季节与太阳风携带磁场的方向。

韩国在南极有两座研究站。乔治王岛上的世宗站位于 62.2° S，地磁纬度约 53°，磁暴时能向南看见极光。南极罗斯海一侧的张保皋站位于 74.6° S，地磁纬度约 77°，接近卵形带极地侧。在展品的地点中选择它们，再向南看。

STEVE、沙丘与新形态

2016 年，加拿大极光观察者在普通极光南侧拍到一条东西延伸的狭窄淡紫光带，将它叫作 Steve。卫星从上方经过，发现下方有极快速的炽热等离子体流，却没有产生普通极光的电子沉降。科学家据此给它补上 Strong Thermal Emission Velocity Enhancement 的名称。Gallardo-Lacourt 及同事认为，它是加热的高层大气辉光，而非极光。NASA 给出的寻找提示是：STEVE 比普通极光更靠近赤道约 5 至 10 度，是东西向的极窄弧，可持续 20 分钟至一小时，有时伴有称作「栅栏」的绿色短条。

2020 年，芬兰公民科学家与研究人员描述了另一种新形态「沙丘」：约 100 km 高处平行的绿色条纹，如沙面波纹，由该高度的大气波塑造。

展品在夜侧亚暴后、Kp 5 或以上时生成 STEVE，位于卵形带边缘赤道侧约 2.3°。最大磁暴时，其下方还会出现栅栏。

能听见极光吗

北方居民长期报告强极光期间听到噼啪、嘶嘶或拍击声。Silverman 与 Tuan 在 1973 年综述了这些报告。问题至今仍有争论。来自 100 km 高处的声音会太弱，而且晚几分钟才到达，因此若声音属实，必定在近地面产生。一些研究者将其与地磁扰动期间低层大气的电效应联系起来。森林里的隐藏发现播放类似描述的声音，是示意音，不是录音。

11 年周期

太阳活动约以 11 年为周期起伏，可用太阳黑子数衡量。2024 年 10 月 15 日，NASA、NOAA 与国际太阳周期预测小组宣布太阳进入第 25 周期极大期，可能持续约一年。此前该周期最强耀斑为 X9.0，于 2024 年 10 月 3 日爆发。极大期前后更容易发生强磁暴，但其他年份也可能出现。

极端事件的标尺仍是 1859 年 9 月磁暴，以看到耀斑的天文学家命名为卡林顿事件。全球低纬地区都报告极光，Cliver 与 Dietrich 用它讨论极端空间天气的限度。

其他行星的极光

有大气和磁场的行星都可能有极光。哈勃用紫外光拍摄木星极光。ESA 描述它覆盖的区域比整个地球更大，能量是地球极光的数百倍，而且从不停止。木星还有地球没有的粒子源：火山活跃的卫星 Io 把带电粒子抛入太空，其磁力线到达木星的位置在主卵形带附近留下明亮磁足迹。朱诺探测器已近距离拍摄这些足迹。

土星极光也主要为紫外光，因为巨行星大气主要是氢。哈勃在 2017 年连续七个月观察土星北极光，发现黎明与午夜前两个亮度高峰。火星没有全球磁场，因此没有卵形带。NASA 的 MAVEN 探测器在太阳风暴后发现火星大范围出现弥散极光。

展品太空视角的行星滑块以假彩色显示木星、土星和火星极光，旁边各有按相同比例绘制的地球。

天空如何绘出

天空由一个着色器绘制，以半分辨率计算每个像素后铺满屏幕，再以全分辨率加入恒星与月亮。对每个像素，着色器在弯曲地球的大气中沿视线向上追踪，在 82 km 至红层顶部之间最多采样 64 个高度；底部光幕边缘最锐利，采样也更密。每个高度都计算视线的位置，以沿地表弧长与朝磁极方向的距离表示，再查取那里的光幕图案。

光幕沿磁场排列，而磁场并不竖直。偶极子场在地磁纬度 λ 处的磁倾角 I 满足 tan I = 2 tan λ。特罗姆瑟的 67.5° 对应约 78° 倾角，因此磁力线从 100 km 上升至 300 km 时，会向赤道偏移约 40 km。着色器按这一数值随高度移动图案，让光束共同倾斜。从正下方看，平行光束似乎交于磁天顶；在特罗姆瑟，它位于真天顶向赤道方向约 12° 处，这就是极光冕。

从侧面看，薄光幕比两次高度采样之间的间隙更薄。因此每片光幕都被加宽至采样间距，同时按同一比例减暗，以保持总光量而不闪烁。湖冰反射的方向若已在屏幕中，就读取同一画面；若不在屏幕中，就用较少步骤重新计算。

云、月亮与村庄灯光

云位于约 2.5 km 高处，远低于极光，厚云会完全挡住它。从下方看，云常因上方极光照射而泛出微弱绿色。云量控制加入漂移云层，覆盖超过半片天空时开始飘小雪。

月相可以调整，月亮位置根据所选月相相对太阳确定，因此满月在冬夜高悬，月牙则靠近太阳。明月照亮雪地与天空，掩盖最弱的极光。村庄也在地平线附近添上一点暖光。

模型与现实的差别

• 卵形带边缘遵循 DMSP 弥散极光边界拟合。明亮离散光弧可以出现在光带内任何位置；展品在你位于带下时，把光弧放在稍偏极地的一侧，否则放在面向你的一边。
• 光带宽度是经验设定，超过约 Kp 6 的拟合属于外推。真正的大磁暴中，卵形带可能比直线预计的更靠近赤道。
• 这里一切由 Kp 决定。真实极光逐分钟直接响应太阳风速度、密度和磁场，相同 Kp 的两场磁暴可能呈现不同景象。
• 地磁纬度来自倾斜偶极子。真实地磁坐标，即修正地磁纬度，在某些地点与它相差一度或更多，南大西洋差异最大。
• 辐射层是对已发表高度拟合的平滑曲线，并非完整的能量沉积与化学计算。亮度是相对值，展品不试图给出千瑞利数值。
• 光幕由漂移、折叠的薄片和光束组成。形状按照片观感设计，但高度、颜色、沿磁力线的倾斜与位置遵循模型。
• 不论去哪里，地景不变。只有天空、太阳、月亮和恒星随地点改变。
• 月亮位置按所选月相沿黄道相对太阳确定，并非完整月球星历。

在山谷中移动

用 WASD、方向键或点击地面行走。手机上用左下圆盘，或点按地面。拖动环顾，也可以垂直向上看。右下按钮切换步行、奔跑、雪橇、45 m 高的无人机与太空视角。数字键 1 至 5 也有相同作用。M 打开山谷地图，T 打开挑战，B 打开极光图鉴，F 打开隐藏发现，P 打开照片模式。

沿南侧楼梯可登上山丘上的塔。雪橇在环湖虚线路线上最快。在太空中，拖动旋转行星，滚动缩放。

导览

导览共 14 步。从湖上爆发开始，再按高度展示颜色，制造红极光，把卵形带向南推过特罗姆瑟，让你站在极光冕下，在冰中倒映天空，参观观测站，对比肉眼和相机，寻找极夜，在 Kp 9 时从首尔观看，前往世宗站与正午的斯瓦尔巴，最后进入太空看地球和木星。

挑战与隐藏发现

共有 11 个挑战。有些是模型可以回答的问题，例如首尔需要多大 Kp。另一些则需要你让现象发生：红极光、极夜、10 秒照片、站在极光冕下、磁力仪上的亚暴，以及正午极光。「设置起点」按钮将你带到合适起点，但不会替你解答。

极光图鉴有 44 项，涵盖颜色、形态和事件、天空与相机、太空视角，以及你见过极光的地点。山谷里有 18 个隐藏发现，其中七个是以「其实」开头的反转卡片。进度保存在此设备上。