極光為何有不同顏色？從粒子、氣體到高度一次看懂

極光看起來像夜空中的光幕，但它不是雲層反射地面燈光，也不是太陽風直接發亮。太陽持續向外吹送帶電粒子；當這些粒子與地球磁場互動、儲存的能量釋放時，一部分高能粒子會沿磁力線進入南北高緯度的上層大氣，於是形成北極光與南極光。

真正發出可見光的是大氣中的原子與分子。高能粒子撞上氧或氮後，會把能量交給它們，使電子進入較高能態；當電子回到較低能態，多出的能量便以特定波長的光釋放。這個過程有點像巨大而稀薄的霓虹燈，但電源、氣體種類與環境條件都來自近地太空。

最常見的綠色主要來自原子氧。NASA 整理的典型範圍約在地表上方一百至二百公里；在這一帶，氧受到電子碰撞後可放出人眼相當敏感的綠光。極光活動較弱時，長時間曝光的相機可能已記錄到綠色，人眼卻只看見灰白薄霧，因為相機感光元件能累積更多微弱光線。

紅色同樣可由氧產生，卻常出現在二百公里以上的較高處。那裡空氣更稀薄，受激發的氧原子比較有機會在遭遇下一次碰撞前完成較慢的能量釋放。強烈地磁活動時，廣闊的高空紅光可能延伸到較低緯度觀測者的視野，因此遠離極區的人有時先看見的反而是一片暗紅天光。

藍色與粉紅色多與氮有關。約一百至二百公里高度的受激發氮可呈現藍光；一百公里以下、粒子能量足以穿得更深時，極光底緣可能出現紅紫至粉紅色。實際光幕並不是整齊分層的色票，不同發光區在視線方向上重疊後，還會混合成紫、黃、粉紅，甚至接近白色。

顏色因此同時記錄了三件事：被撞擊的是哪種氣體、粒子帶來多少能量，以及碰撞發生在多高的地方。形狀則受到磁場與電流結構控制，所以我們會看到弧線、簾幕、射線與快速移動的皺褶。單憑一張照片不能完整反推出太空天氣，但把光譜、地面磁力計、雷達與衛星量測合在一起，科學家就能追蹤能量如何從磁層進入大氣。

極光也不只屬於地球。只要天體具備大氣，並有合適的粒子來源與磁場環境，就可能產生不同形式的極光；木星與土星都曾被觀測到極區發光。理解地球極光的發色機制，因而不只是解釋一場夜空奇景，也是比較行星大氣、磁場和太空環境如何交換能量的一把尺。

資料來源：美國國家航空暨太空總署（NASA Science），〈Auroras〉，2025 年 2 月 4 日更新，https://science.nasa.gov/sun/auroras/