机缘，和茂茂、Jacky、Shadow 约阿坝州松潘县，看双子座流星雨。 观星点海拔四千米，晚间约零下十度，无风。流星足够精彩，而夜气辉则是惊喜。 绿色调、黄色调、红色调的气辉，自地面托起冬季银河拱桥；整夜里，气辉条纹蠕动和形变。 我好奇，看到的夜气辉是什么、从何而来、出现在哪？
一般来说，气辉是高层大气吸收太阳电磁辐射能量后，产生的一种微弱光辐射1。在一天里，包括 日气辉、夜气辉和曙暮气辉。对夜气辉来说，大气原子和分子白天吸收太阳能量，储存在电子能级轨道，或者 分子和离子的键能中（区别于热运动能量）；而后夜间一系列化学反应中，将持续产生激发态的原子和分子， 它们跃迁到低能级时，以光的形式释放能量。 具体的能级跃迁形式有：电子跃迁（比如，氧原子），振动-转动跃迁(比如羟基)，或者结合 电子跃迁、振动和转动跃迁（比如 O2 分子）2。 不同反应发射不同的能量，对应不同颜色的光。另外大气温度和成分的分布，导致气辉分层。 夜气辉主要分布在海拔 85km 以上的中间层和热电离层 ( mesosphere/lower thermosphere (MLT)) ， 每层厚约 10km。我想找出相机拍到的夜气辉的类型，所以关注可见光波段的夜气辉。
夜气辉单位面积强度微弱，弱于极光，肉眼很难看到，长曝光的相片里能看到。 从地面看到的无月夜晚里，从紫外到红外的夜气辉的累积亮度，占全天的亮度 40%（来源？）。 或许因为夜气辉连续地填充在大气中，而星光只是星星点点。作为夜空背景的夜气辉， 也约束地面望远镜能观测的最暗星等。
偏题和不严谨的联想。零下的气温里，红星岩海子的水面结冰。白天冰化开、晚上冻上时，冰面断续 发出一条条电音般的声响，像八六版西游记里孙悟空出场的背景乐。如果声响被考虑为水分子 释放能量的形式，则其能量过程和效果和夜气辉相似。天上发光呼之，地下发声应之。 其一，两者源自太阳的能量，流转于白天，黑夜。白天，水分子吸收空气和阳光的能量，升温； 夜晚，水分子振动的能量加热湖面空气和发出声响。 其二，释放的能量可分为：大部分能量局部约束，小部分能量以另一种形式传播更快更远。 水分子能量大部分，以热传导缓慢释放到临近空气，而声音携带的小部分能量，传播得更远更快。 岸边的我们，更早地听到声音，相比感受到冰面的温度。夜气辉是以光形式释放的能量， 传播得更远更快（因为光速最快)，而剩下更多的能量，被约束在时空更狭窄的电子轨道和分子键中。 这点点“轻盈”的能量，更合适称为信息。
虽然研究者未探明所有气辉机制，我参考 Leinert, Ch. et al. (1997)3 和 Savigny, C. von.(2017)4的结论，以最清晰的国际空间站视角为例， 展开三种有明显颜色的可见光气辉。空间站视角上，气辉叠加水平方向的亮度， 所以能拍到明亮且分层的气辉。文末国际空间站视角的相片，标注不同高度上不同来源的夜气辉。 5（感谢 NASA ）。
氧绿线气辉，泛绿色，波长 557.7nm，出自氧原子 O(1 S) 经电子跃迁为 O(1 D)的能量发射， 海拔 95km 处最强。因为颜色近极光，也称为极光绿。根据 Barth 能量转移模式，白天时， 太阳紫外线，光解氧气分子 O2 和臭氧分子 O3，产生氧原子 O(3P)、O(1D)。 并且这些氧原子能稳定留存在中间层大气，100km 处为一个月。而夜晚时，仍在进行着的、基于光解产物的多轮化学反应里， 最终生成激发态的氧原子 O(1S)。我认为紫外线光解，可能启动了整个气辉系统，注入来自系统外的能量。 这不只产生了氧绿线气辉，所以虽然破坏自高向低的顺序，我依然先介绍氧绿线气辉。
氧红线气辉，暗红色，波长 630.0nm 和 636.4nm，出自氧原子 O(1 D) 经电子跃迁为 O(3 P)的能量发射。 分布高度最高，海拔 250km 处最强。白天时，激发态氧原子 O(1 D)，来自氧气正离子 O2+ 结合电子 e- 的解离产物。 但夜晚时，为什么氧红线气辉集中出现在氧绿气辉两倍海拔处？氧气正离子被地磁场搬运到更高处吗？
钠黄线气辉，橙黄色，波长 589.6nm 和 589.0nm，出自激发态钠原子 Na(2P) 经电子跃迁为 Na(2S)的能量发射。 海拔 92km 处最强，处在钠层。钠原子 Na(2P) 因自旋轨道耦合，劈叉出两个精细结构，所以有 589.6nm 和 589.0nm 两条发射谱线。在更精细结构里，这二个劈叉甚至总共分成十条分立的谱线。根据 Chapman(1939) 的模型， 游离的基态钠原子 Na(2 S) 与臭氧分子 O3 反应，而后的系列反应里，生成激发态钠原子 Na(2 P)。
钠层位于中间层大气中，含非电离化的游离钠原子，一般在 80–105km 左右，厚度约为5km。 Chamberlain(1961)6 指出钠随海洋海水蒸发向上达到钠层。天文研究者，则利用激光激发钠层的钠原子 发光，营造人工引导星。地面光学望远镜依据该引导星，使用调适光学技术来修正大气扰动，使地面 光学望远镜性能接近其理论极限。
羟基红带气辉，橙红/黄色调(?)，出自激发态羟基 OH 波长 600nm 以上的带状发射光，平均 87km 处最强。 有别于电子能级跃迁的分立发射谱线，激发态羟基 OH 振动-旋转跃迁有着宽阔发射谱带，从可见光到红外光。 目前所知，振动激发态(vibrationally excited)的羟基 OH* 形成于中间层： \(H + O_3 \longrightarrow OH^\ast + O_2\)。
不止于上面的因素，重力波、季节、海拔和区域进一步改变气辉的水平方向、竖直方向和时间分布。重力波作用于大气后， 类似海浪，使得不同层气辉位置起伏，交错，产生涟漪和更复杂的图案。在地面视角，气辉的图案更加明显。
虽然查到了上面的信息，但我还不能确切分辨，地面相机拍到的夜气辉。首先，红星岩海子东面的，绿色调气辉， 基本确定属于氧绿线气辉 ([OI], 557.7nm)；在同一个位置的延时摄影中，我看到氧绿气辉条纹是在褐色调气辉的 背景上移动，意味着褐色调气辉比氧绿气辉处在更高处，猜测褐色调气辉是位于 250km 海拔的 氧红气辉 ([OI], 630.0nm 和 636.4nm)，因为我认为羟基红带气辉应处在更低海拔。 而后，雪宝顶观景台，北面的红色调气辉，基本填满了 15 毫米镜头视野，意味着气辉从近处小山头延伸到天顶， 怀疑是羟基气辉；东面，近雪山顶的黄色调气辉，猜测是钠黄线气辉 (Na D，589.0nm, 589.6nm)； 往上薄薄的绿色一层，猜测是氧绿线气辉 ([OI]，557.7nm)；再往上延伸到天顶的是羟基红带气辉 (OH, >600nm)。 为什么猜测高处红色调气辉是羟基红带气辉，而不是氧红线气辉？我认为氧红线气辉强度较弱 (20-60R)，且距离 最远 (250km)，最终到达地面会更弱。羟基红带气辉，离地面最近，而且带状发射累计强度强，且有颜色变化。 氧红线气辉和钠黄线气辉，出现在近地平面处，猜测因为两者强度弱，近地平面方向，能累计水平方向上的亮度。 但为何氧绿线气辉与羟基红带气辉，分层如此明显?
论文里的光谱数据是，探测器升空采集的数据，没有亮度叠加效应，而相机的明度和色调关联，所以并不好区分 相机出的图。可能最好的验证方式，用光谱仪拍摄，确定气辉波长。
备注
雪宝顶观景台南面银河拱桥一图，由茂茂拍摄、处理，版权茂茂所有。
| 发射源 | 波长 | 发射层高度 | 强度 |
|---|---|---|---|
| O2(Herzberg bands) | 300nm - 400nm | 90km | 8 R/nm |
| [OI] | 557.7nm | 95km | 250 R |
| Na D | 589.0nm, 589.6nm | \(\approx\) 92km | 30 R(夏季) to 100 R(冬季) |
| [OI] | 630.0nm | 250 - 300km | 60 R |
| [OI] | 636.4nm | 250 - 300km | 20 R |
| H\(\alpha\) | 656.3nm | 地冕 | 4-6 R (夜晚) |
| pseudocontinuum | 400nm - 700nm | 90km | 3 R/nm |
| O2 | 846.5nm | \(\approx\) 80km | 1 kR |
| OH | 600nm - 4.5um | 85km | 4.5 MR(所有能带) |
表格和光谱图摘取并修改自 Leinert, Ch. et al.(1997)7 。记录不同气辉出现的高度和强度。 光谱仪记录的波长与强度，标注了发射源。It is based on photoelectric observations at Kitt Peak near zenith and within 30◦ of the galactic pole. The spectral resolution is 5 A, the scan step four times smaller. The [OI] lines at 630 nm and 636.4 nm and also Hα are weaker than average in these observations.
其他地方拍到的夜气辉：
- 每日一天文圖 (成大物理分站) ：亞速爾群島上空的彩虹氣輝。NASA 讲解各个色彩可能的来源。
- 每日一天文圖 (成大物理分站) ：戴建峰拍摄的西藏上空的氣輝漣漪。
- 夜空中国：神山的礼物。林锦旭，2025年11月10日摄于四川稻城亚丁村巴玉营地附近。雪山上的橙红色调气辉，我猜测是羟基红带气辉。
- 夜空中国：气辉与银河。Lafa拉法，2023年5月24日摄于四川甘孜州玉隆拉措雀儿山。雪山上的绿色条带气辉，我认为是氧绿线气辉。
- Reddit 用户 EkantTakePhotos 在新西兰波尔特一级区拍到的黄/橙色调气辉。该用户认为是氧气辉，但我认为是羟基红带气辉。
- NASA 公开的气辉相册。
- https://apod.nasa.gov/apod/ap140901.html
有关气辉的介绍：
- 中国大百科全书：气辉。较全面的气辉总结中文资料。
- ESOcast 78， 欧南台视频讲解气辉，可切换中文字幕。
- NASA 讲解气辉形成机制以及观测气辉如何了解大气的变化。
- 中文维基百科：气辉。
- 英文维基百科：气辉。
- 知乎：航天员照片背后的小知识（1）：气辉。
- 科学家讲科普. (科学普及出版社, 2017).
引用：
中国大百科全书：气辉。 较全面的气辉总结中文资料。↩︎
Savigny, C. von. Airglow in the Earth atmosphere: basic characteristics and excitation mechanisms. ChemTexts 3, 14 (2017).↩︎
Leinert, Ch. et al. The 1997 reference of diffuse night sky brightness. Astronomy and Astrophysics Supplement Series 127, 1–99 (1998).↩︎
Savigny, C. von. Airglow in the Earth atmosphere: basic characteristics and excitation mechanisms. ChemTexts 3, 14 (2017).↩︎
Based on https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ISS-42_Starry_Night_(2).jpg. ESA (European Space Agency) astronaut Samantha Cristoforetti captured this image while on the International Space Station during the night of Dec. 15, 2014. It shows cloud cover over England, Baltic Sea and the Persian Gulf.↩︎
Chamberlain, J. W. Physics of the Aurora and Airglow. Academic Press (1961).↩︎
Leinert, Ch. et al. The 1997 reference of diffuse night sky brightness. Astronomy and Astrophysics Supplement Series 127, 1–99 (1998).↩︎