最近由於太陽表面活動劇烈，造成了北半球高緯度地區明顯的極光 (aurora) 現象，在網路上也流傳著很多漂亮的極光照片與影片，我藉這個機會來說明一下極光顏色的成因。

在約 80 km 以上的高空，夜間雖然沒有太陽光，但高能量的太陽風帶電粒子 (質子，電子等) 隨著地球磁場從高緯度地區不斷撞擊大氣層中的空氣分子，這些高能量撞擊常造成空氣分子 (N2, O2) 的電子游離形成帶正電的離子(如 O2+, N2+)，當這些離子重新與高能量電子結合時，常會分解出高能量激發態的原子 (O*, N*)，當這些激發態原子回到較低能量狀態或基態時會放出可見光範圍的輻射，也就是極光顏色的成因。在極光中最常見的是綠色的光，這是來自氧原子從單態 S (singlet S) 轉變成單態 D (singlet D) 所放出的光線 (波長 558 nm)，在更高空 (150 km 以上) 有時會看到紅色的極光，這主要是來自氧原子從單態 D 轉變成基態的三重態 P(triplet P) 所放出的光線 (波長 ~ 630 nm)。激發態的氮原子對極光也有些微貢獻，當它從從二重態 D (doublet D) 轉變成四重態 S (quartet S) 會放出淡淡的綠光 (波長 ~520 nm)。此外，激發態的氮分子(N2*) 以及氮分子離子 (N2+*)回到低能量狀態時也會放出紅紫色或藍色的光線。

要在高空中才會有極光產生的原因是由於高度較低時大氣密度很高，太陽風帶電粒子只能穿透到大約 80 km 的高空而不被完全吸收，此外上述氧原子的激發態半生期很長，放光速度很慢 (因為是所謂 forbidden transition，singlet S 和 singlet D 半生期分別約為 1秒 及 110 秒，比正常放光或 allowed transition 的半生期長十億倍)，很容易在還沒放光前就與其他空氣分子碰撞而失去能量，只有在空氣極為稀薄的高空中才比較可能有足夠的時間不與其他分子撞擊而放出光線，產生極光。