Förra veckan skickade ett enormt solutbrott en våg av energiska partiklar från solen som strömmade ut genom rymden. Under helgen nådde vågen jorden och människor runt om i världen njöt av synen av ovanligt levande norrsken på båda halvkloten.
Även om norrskenet normalt sett bara syns nära polerna, sågs det i helgen så långt söderut som Hawaii på norra halvklotet och så långt norrut som Mackay i söder.
Denna spektakulära ökning i norrskensaktivitet verkar ha tagit slut, men oroa dig inte om du missade något. Solen närmar sig toppen av sin 11-åriga solfläckscykel, och perioder av intensivt norrsken kommer sannolikt att återkomma under nästa år eller så.
Om du såg norrskenet, eller någon av bilderna, kanske du undrar vad som egentligen hände. Vad gör glöden, och de olika färgerna? Svaret handlar om atomer, hur de blir upphetsade – och hur de slappnar av.
Norrskenet orsakas av laddade subatomära partiklar (mestadels elektroner) som slår in i jordens atmosfär. Dessa sänds ut från solen hela tiden, men det finns fler under tider med större solaktivitet.
Det mesta av vår atmosfär är skyddad från inflödet av laddade partiklar av jordens magnetfält. Men nära polerna kan de smyga sig in och orsaka förödelse.
Jordens atmosfär består av cirka 20 % syre och 80 % kväve, med vissa spårmängder av andra saker som vatten, koldioxid (0,04 %) och argon.
När höghastighetselektroner krossar i syremolekyler i den övre atmosfären delar de syremolekylerna (O₂) i individuella atomer. Ultraviolett ljus från solen gör detta också, och de syreatomer som genereras kan reagera med O₂-molekyler för att producera ozon (O₃), molekylen som skyddar oss från skadlig UV-strålning.
Men i fallet med norrsken är de syreatomer som genereras i ett exciterat tillstånd. Det betyder att atomernas elektroner är ordnade på ett instabilt sätt som kan "slappna av" genom att avge energi i form av ljus.
Som du ser i fyrverkerier producerar atomer av olika grundämnen olika färger av ljus när de får energi.
Kopparatomer ger ett blått ljus, barium är grönt och natriumatomer ger en gul-orange färg som du kanske också har sett i äldre gatlyktor. Dessa utsläpp är "tillåtna" av kvantmekanikens regler, vilket innebär att de sker mycket snabbt.
När en natriumatom är i ett exciterat tillstånd stannar den bara där i cirka 17 miljarddelar av en sekund innan den avfyrar en gul-orange foton.
Men i norrskenet skapas många av syreatomerna i exciterade tillstånd utan några "tillåtna" sätt att slappna av genom att sända ut ljus. Ändå hittar naturen en väg.
Det gröna ljuset som dominerar norrskenet sänds ut av syreatomer som slappnar av från ett tillstånd som kallas "¹S" till ett tillstånd som kallas "¹D." Detta är en relativt långsam process, som i genomsnitt tar nästan en hel sekund.
Faktum är att denna övergång är så långsam att den vanligtvis inte kommer att ske vid den typ av lufttryck vi ser på marknivå, eftersom den exciterade atomen kommer att ha förlorat energi genom att stöta in i en annan atom innan den har en chans att skicka ut en härlig grön foton. Men i atmosfärens övre delar, där det finns lägre lufttryck och därför färre syremolekyler, har de mer tid på sig innan de stöter på varandra och har därför en chans att frigöra en foton.
Av denna anledning tog det lång tid för forskare att ta reda på att norrskenets gröna ljus kom från syreatomer. Den gul-orange glöden av natrium var känd på 1860-talet, men det var inte förrän på 1920-talet som kanadensiska forskare kom på att norrskens gröna berodde på syre.
Det gröna ljuset kommer från en så kallad "förbjuden" övergång, som sker när en elektron i syreatomen utför ett osannolikt språng från ett omloppsmönster till ett annat. (Förbjudna övergångar är mycket mindre sannolika än tillåtna, vilket innebär att de tar längre tid att inträffa.)
Men även efter att ha sänt ut den gröna fotonen, befinner sig syreatomen i ännu ett exciterat tillstånd utan tillåten avkoppling. Den enda flykten är via en annan förbjuden övergång, från ¹D till ³P-tillståndet – som avger rött ljus.
Denna övergång är ännu mer förbjuden, så att säga, och ¹D-tillståndet måste överleva i ungefär två minuter innan det äntligen kan bryta mot reglerna och ge rött ljus. Eftersom det tar så lång tid dyker det röda ljuset bara upp på höga höjder, där kollisioner med andra atomer och molekyler är få.
Dessutom, eftersom det finns en så liten mängd syre där uppe, tenderar det röda ljuset att endast visas i intensiva norrsken – som de vi just har haft.
Det är därför det röda ljuset visas ovanför det gröna. Medan de båda har sitt ursprung i förbjudna avslappningar av syreatomer, sänds det röda ljuset ut mycket långsammare och har större chans att släckas av kollisioner med andra atomer på lägre höjder.
Medan grönt är den vanligaste färgen att se i norrsken och rött den näst vanligaste, finns det också andra färger. I synnerhet kan joniserade kvävemolekyler (N₂⁺, som saknar en elektron och har en positiv elektrisk laddning), avge blått och rött ljus. Detta kan ge en magentafärgad nyans på låga höjder.
Alla dessa färger är synliga för blotta ögat om norrskenet är tillräckligt ljust. Men de dyker upp med mer intensitet i kameralinsen.
Det finns två skäl till detta. För det första har kameror fördelen av en lång exponering, vilket innebär att de kan lägga mer tid på att samla in ljus för att producera en bild än vad våra ögon kan. Som ett resultat kan de göra en bild under svagare förhållanden.
Det andra är att färgsensorerna i våra ögon inte fungerar särskilt bra i mörker – så vi tenderar att se i svart och vitt i svagt ljus. Kameror har inte denna begränsning.
Oroa dig inte. När norrskenet är tillräckligt ljust är färgerna tydligt synliga för blotta ögat.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
