極光為什麼會因地點和高度而顏色不同？
― 只能發出固定顏色的大氣氣體
看極光的照片，雖然以綠色居多，但也有紅色、紫色，甚至偏粉紅的顏色。明明都是太陽來的粒子撞上大氣而發光，原理應該相同，為什麼顏色會差這麼多呢？
你在理化實驗中，有沒有看過把含金屬的水溶液滲進火焰的實驗？銅是綠色、鈉是黃色、鉀是紫色，火焰的顏色會由所含的物質明確決定（焰色反應）。
霓虹燈會發出紅色或橘色的光，也是因為裡面填充的氣體種類，決定了它能發出的顏色。一般認為，極光的顏色也是出於很類似的理由。
原子中的電子只能發出固定能量的光，因此據說每種氣體能發出的顏色都是固定的幾種。
由於高空中不同高度的氣體種類和濃度都不同，即使同樣是氧氣，容易發出的顏色也會隨高度而改變。
接下來，我們依序來看「各氣體的固定顏色」和「高度造成的顏色差異」。
為什麼氣體的種類會決定能發出的顏色
太陽風的粒子撞上大氣中的氣體時，會把氣體原子或分子中的電子，暫時推到能量較高的狀態。當這個電子回到原本較低的能量狀態時，據說會把那個能量差，以固定顏色（波長）的光放出來。電子能取得的能量狀態，只有隨氣體種類而定的、一格一格的固定數值。所以，氣體種類一換，能發出的顏色也跟著改變。煙火、霓虹燈、焰色反應之所以總是讓固定的物質發出相同的顏色，也是同樣的原理。
為什麼高度會改變容易發出的顏色
據說氧原子既能發出綠光，也能發出紅光。不過，這兩種顏色發出所需的時間差很多：綠光很快就發出，紅光則要等比較久的時間。
問題就出在這個「要等比較久」。在低處，空氣濃密，氧原子不斷與周圍的分子碰撞。如果在等待發出紅光的時候撞上了，就會在沒有發光的情況下失去能量。只有在氣體稀薄的高處，才有餘裕在撞上之前把紅光發完。反過來說，在低處空氣太濃，這種需要「等待」的顏色（氧的光）幾乎發不出來，發光很快的氮分子所發出的藍色和紫色就會變得顯眼。
據說越強的太陽風粒子，越能深入大氣。特別是在活躍的極光中，粒子能到達高度接近 100km 的氮分子層，因此有時會在綠色極光的下緣，看到藍色或紫色的邊。
氣體的種類，加上發光前的「等待時間」，決定了顏色。
可以自己驗證的事
- 找機會看有顏色的火焰，例如營火或煙火大會（在家不要勉強做焰色反應的實驗）
- 觀察霓虹燈或街上燈飾的顏色
- 注意同樣是「發光」，顏色會由所使用的氣體或物質明確決定
如果把極光想成大氣這支巨大的「霓虹燈管」中，固定的氣體發出固定的顏色，就比較容易想像了。
總結
極光的顏色看起來會因地點和高度而不同，一般認為是兩個理由結合的結果。一是每種氣體能發出的光色都是固定的這個性質；二是由於高度不同，氣體的濃度也不同，所以需要時間才能發出的顏色，只能出現在高處這個性質。綠色之所以最常見，是因為那是氧原子比較快就能發出的顏色。
極光不是單一的光。
它是不同高度的不同氣體所奏出的顏色漸層。
關於太陽風的粒子為什麼會聚集到北極和南極，這篇文章有詳細說明。
想知道更多的人 ― 用語・數值・與課本的關聯從國中理化到研究中的話題，明確標示每一段屬於哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「基礎化學」學到的範圍
- 高中＋高中「物理」「化學」，或課本中屬於進階・專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（大氣物理學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者正在探討的話題
國中用語：與極光顏色有關的詞彙
- 焰色反應：金屬等物質受熱時，會發出特有顏色的光的反應。
- 波長：決定光的顏色、波動重複一次的長度。
- 電子的能量狀態：原子中的電子所具有的、一格一格固定的能量值。
高中用算式確認：綠色和紅色，光的粒子（光子）的能量哪個比較大
我們用一個常用的近似關係式，從波長估算光的能量，來比較綠色和紅色的能量。
| 用符號寫 | E ≒ 1240 ÷ λ |
| 用文字寫 | 一個光粒子的能量（電子伏特） ≒ 1240 ÷ 波長（奈米） |
| 這個算式的來源 | 來自連結光的能量與頻率的普朗克關係式（能量 ＝ 普朗克常數 × 頻率）。把單位統一成電子伏特和奈米後，常數的部分就整合成 1240。 |
符號的意思：E 是一個光粒子的能量（單位是電子伏特），λ 是波長（單位是奈米）。
| 綠色的波長 | 約 560nm（氧原子常發出的顏色的參考值） |
| 紅色的波長 | 約 630nm（氧原子發出的、波長較長的顏色的參考值） |
| 綠色的能量（eV） | 1240 ÷ 560 ≒ 2.21 |
| 紅色的能量（eV） | 1240 ÷ 630 ≒ 1.97 |
| 結果 | 綠色具有比紅色更大的能量 |
波長越短的顏色，每個光粒子（光子）的能量越大。這個關係可以從綠色（2.21）是比紅色（1.97）更大的數值清楚確認。從能量高的狀態落到能量低的狀態，落差越大，放出的光波長越短（能量越高），這個關係就表現在這兩個數字的差異上。
高中＋「等待時間」的差異，造成依高度分色
氧原子的綠色發光相對很快發生，而紅色發光屬於稱為「禁戒躍遷」、本來就不容易發生的一類變化，據說要花上一段時間才會以光的形式放出。在低處，趁著這段「要花時間」的期間，原子會與周圍的分子碰撞而失去能量（稱為淬熄）。因此一般認為，紅色實際上只有在空氣稀薄的高處，才容易被觀測到光。
大學大氣物理學處理的發光高度建模
在大氣物理學、高層大氣物理學的領域中，研究人員正在研究一種模型，根據太陽風粒子的能量與大氣的密度分布，計算在哪個高度、哪種顏色會以多亮的程度發光。研究者持續把這個模型，與人造衛星和火箭的直接觀測資料互相對照。
這個計算結合了三個部分：追蹤粒子進入大氣到停下來為止的電子輸運方程式、表示原子或分子發光比例的愛因斯坦係數，以及因碰撞而失去發光的比例（淬熄）。高中用過的普朗克關係式，就是其中的一部分。
📖 算式的推導，以及更進階的內容：極光 ／ 光電效應（光粒子與能量的關係）
研究目前還不清楚的事
- 在非常活躍的極光中出現的罕見顏色（濃粉紅色或特殊的紫色）是在什麼詳細條件下產生的，目前仍是持續觀測與研究的主題。
- 研究者正在推進更準確預測極光顏色與形狀的變化，和對地面電力網與通訊設施的影響（太空天氣）之間的關係。
- 在其他行星（木星、土星等）上觀測到的極光，其顏色如何隨該行星的大氣成分而改變，也是持續進行比較研究的領域。
光是極光的顏色，就蘊含了原子物理學與大氣科學交會、至今仍在研究中的豐富主題。
與課本的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・焰色反應 | 各氣體有固定顏色的基本概念 |
| 高中 | 基礎化學・原子結構 | 光子能量的計算 |
| 高中＋ | 物理・化學（進階） | 禁戒躍遷與淬熄的關係 |
| 大學 | 大氣物理學 | 發光高度的建模 |
| 研究 | 高層大氣物理學（研究中） | 罕見顏色的條件、太空天氣預測、行星間比較 |
- 大氣物理學、高層大氣物理學相關教科書中，關於極光發光高度與顏色的解說。
- 原子物理學相關資料中，關於禁戒躍遷與發光壽命的解說。
- 化學教育相關資料中，關於焰色反應與發光原理的解說。
※ 波長、高度的數值，是為了幫助理解原理的參考值。實際的數值會依太陽風的強度與大氣狀態而有一定的幅度。
※本文是為一般讀者寫的科學解說。文中所列數值，是為了幫助理解原理的概算・參考值。實際的數值會依太陽風的強度與觀測條件而有一定的幅度。