当神舟十二号航天员从轨道上回望地球，照片中地球边缘浮现出一层极细的发光边界。那并非大气散射造成的蓝色光晕，也非城市灯光的延伸，而是一种几乎无处不在、却极少被肉眼直接辨识的现象——气辉。对于天文观测者而言，气辉是夜天光中除星光、黄道光与银河之外不可忽略的背景辐射；对于大气物理学家而言，它是一扇窥探中间层与热层动力过程的窗口；而对于星空摄影者，它时而成为画面的干扰，时而又化作地平线上缥缈的绿意。本文从气辉的物理本质出发，梳理其与极光的区别、观测手段的演进，以及它在现代天文观测中的双重角色。
一、气辉是什么：高层大气的化学余晖
气辉是地球高层大气中由光化学反应驱动的微弱发光现象，主要出现在距地面约五十至五百千米的高度范围内。其核心机制并不复杂：白昼太阳紫外辐射将高层大气中的氧分子、氮分子等组分解离或激发，夜间这些处于激发态的原子与分子通过碰撞与重组返回基态，多余的能量便以光子形式释放出来。这一过程在化学上更接近“磷光”而非“荧光”——激发态粒子的寿命足以让它们存续数分钟乃至数小时，因此地球夜半球的大气能够持续整夜发出微光。
按观测时段划分，气辉分为夜气辉、曙暮气辉与昼气辉三类。昼气辉发射强度最大，但完全被强烈的日光散射所淹没；夜气辉最弱，却因为背景足够黑暗而成为地面观测与摄影的主要对象。在可见光波段，最明亮的发射线来自高层大气氧原子的557.7纳米绿线，其次为钠原子589.0/589.6纳米的黄绿色双线。红色气辉则主要源自氧原子630.0纳米发射，出现在更高的电离层高度，强度更弱，往往需要长曝光或强烈太阳活动配合才能被相机捕捉。
二、与极光的根本分野：分布、机制与节奏
气辉常被误认为极光的“低配版本”，但两者的差异远不止亮度。极光由太阳风中的高能带电粒子沿地磁场线注入极区高层大气，通过碰撞激发氧原子与氮分子而发光，形态瞬息万变，几乎局限于南北磁纬较高的环带内。气辉则不受地磁约束，在全球范围内近乎均匀地包裹整个地球，从赤道到极区均可观测。
更深层的区别在于能量来源的时间尺度。极光的亮灭与太阳风扰动几乎同步，一次亚暴可以在数分钟内让一片天空骤然点亮又归于沉寂。气辉的驱动力则主要来自白昼积累的太阳紫外激发，能量在激发态粒子中“储存”数小时后才在夜侧缓慢释放。因此气辉的强度变化平缓，带有明显的季节性与周期性特征，与瞬时太阳活动的关系远不如极光那样直接。也正因如此，即便在完全没有极光活动的低纬度地区，气辉依然夜夜存在，只是亮度太低，人眼难以察觉。
三、从“地球光”到定量科学：观测手段的演进
二十世纪初，天文学家在研究夜空背景亮度时发现，扣除星光贡献后仍有一部分残余辐射，其中竟包含一条与极光光谱中相同的绿色谱线。当时它被称为“永极光”或“非极区极光”，直到1950年前后才正式获得“气辉”之名。早期观测依赖照相底片配合小孔准直器进行长时间曝光，灵敏度极为有限。光电倍增管的引入将探测能力提升了数个量级，使得气辉的连续监测成为可能。
现代气辉观测的主力工具是全天空成像仪。这套系统由鱼眼镜头、远心光路、窄带干涉滤光片与制冷科学级CCD相机构成，能够在180度视场内对特定发射线（如557.7纳米绿线或630.0纳米红线）进行二维成像。滤光片带宽通常压缩至一至二纳米，以尽可能排除星光与人为光源的污染。鱼眼镜头带来的严重畸变需要通过多项式拟合校正，而气辉层作为与地球同心的球面，其投影到CCD平面上的几何关系也需精确建模，才能将图像像素还原为真实的空间尺度——通常以千米每像素为单位。我国在西宁、海南富克等地设有气辉观测台站，前者用于中纬度重力波研究，后者因靠近磁赤道而成为观测电离层等离子体泡的有利站点。
四、天文观测中的气辉：污染源与信息源的双重身份
对于地面光学天文台而言，气辉首先是一个需要应对的“敌人”。在可见光与近红外波段，气辉构成了夜天光背景的主要连续贡献之一。欧洲南方天文台VISTA望远镜的近红外图像中，气辉结构的移动会在多次曝光之间留下背景条纹，影响暗弱天体的测光精度。在极度黑暗的台址，气辉的亮度甚至足以限制望远镜的极限星等——这也是哈勃空间望远镜在可见光波段能够探测到地面望远镜难以企及的暗弱目标的原因之一。
然而气辉并非只有负面价值。近年来，研究人员发展出一种颇具巧思的方法：利用中层顶区域（约八十至一百千米）OH分子Meinel带的气辉发射光谱，反演天文观测视线上的水汽含量。其原理在于，OH(8-3)带各条谱线受大气水汽吸收的程度存在差异，通过比对谱线相对强度，可以实时、快速地获得沿视线方向的可降水量，从而为天文光谱观测提供水汽校正依据。这项工作将原本被当作“污染”剔除的气辉信号，转化为一种无需额外仪器的水汽监测手段，体现了观测数据处理中视角转换的价值。
五、气辉形态中的大气动力学：重力波与涟漪
气辉最引人入胜的视觉特征，是其在全天空图像中呈现的波纹状结构。这些涟漪并非气辉本身在运动，而是大气重力波经过气辉层时对局部密度与温度产生调制，进而改变了化学反应的速率与发光强度。其物理图像可以类比为向平静水面投入石子后扩散的同心波纹：低层大气中的强对流活动、地形抬升或锋面过程激发出向上传播的重力波，当波抵达八十至一百千米的高度时，振幅因空气密度降低而显著增大，从而在气辉层中“刻”出明暗相间的带状图案。
2014年4月，摄影师在西藏岗巴县记录到一次形态极为清晰的“涟漪”气辉事件。后续分析表明，其激发源极可能是孟加拉国上空的一次强雷暴系统：对流活动产生的重力波向上传播数百公里后，在喜马拉雅山脉上空的OH气辉层中留下了可辨的波动结构。该次观测同时被NASA的SUOMI NNP卫星搭载的日夜间波段传感器捕获，为地基与空基联合分析提供了罕见样本。这类观测之所以重要，是因为气辉层恰好位于常规气象探空与卫星遥感之间一个相对稀薄的探测区域，而气辉成像提供了一种低成本、大视场的连续监测方式，用以约束重力波的波长、相速度与传播方向等参数。
六、结语
气辉的本质，是一颗行星在其恒星辐照下产生的化学余响。它没有极光的戏剧性，不依赖磁场的聚焦，也不要求观测者远赴高纬。它安静地覆盖着整个夜半球，亮度低到人眼几乎无法分辨，却在每一张足够灵敏的星空照片中留下或绿或红的底色。对于天文网站而言，理解气辉的意义在于：即便在地球上最黑暗的台址，天空也从未真正黑暗；而那些看似构成干扰的微弱光芒，本身携带着高层大气动力学与化学成分的丰富信息。下一次翻阅一幅曝光充分的银河照片时，不妨留意地平线附近那层若有若无的绿色薄雾——那是地球自己在发光。
相关问答
问：气辉肉眼能看到吗？
答：在绝大多数情况下不能。典型气辉的亮度远低于人眼在暗适应状态下的探测阈值，只有在极暗台址、气辉活动强烈且观测者完全暗适应时，可能隐约感知到地平线上方的微弱亮色，但无法与极光或银河的视觉冲击力相比。
问：为什么气辉照片里常见绿色，红色较少？
答：绿色557.7纳米氧原子发射是可见光波段最强的气辉谱线，且其发光层（约100千米高度）大气密度相对较高，激发态氧原子数量较多。红色630.0纳米发射来自更高、更稀薄的电离层区域，强度弱得多，需要更长曝光或更强的太阳活动条件才能记录。
问：气辉和极光的光谱有相似之处，如何通过照片区分？
答：除光谱细节外，形态是更直观的判据。极光具有明显的动态结构（弧带、射线、冕状），在长曝光中往往因快速运动而模糊；气辉形态平缓弥散，可呈现大范围均匀辉光或重力波产生的规则波纹，极少出现极光那种锐利的边界与丝状结构。
问：光污染对气辉观测影响大吗？
答：影响极大。气辉本身极暗，城市灯光产生的天空辉光在亮度上可以轻易压倒气辉信号。因此气辉研究与摄影通常只在暗夜保护区或专业台址进行。
问：气辉对业余天文摄影是好事还是坏事？
答：取决于拍摄目标。对于深空天体摄影，气辉是背景噪声的来源之一，会降低图像信噪比；对于广域星空与地景摄影，适度的气辉可以为地平线增添色彩层次，成为构图中的有益元素。
问：其他行星上也有气辉吗？
答：有。金星、火星和木星的大气在太阳辐射作用下同样会产生气辉现象，称为行星气辉。对行星气辉的观测有助于了解其高层大气成分与光化学过程。
问：气辉观测数据除了研究重力波，还有什么用途？
答：如前文所述，OH气辉光谱可用于反演大气水汽含量。此外，气辉成像还被用于监测电离层不规则体（如等离子体泡）的形态与漂移，以及研究中层顶区域的温度与风场变化。
问：为什么国际空间站照片中气辉呈现为一层清晰的薄边界？
答：从轨道高度侧视大气时，视线穿过气辉层的路径长度远大于从天顶方向观测，发光层的积分亮度显著增强。同时太空中没有低层大气散射的干扰，气辉层与下方暗侧地球的对比度极高，因此呈现为一条细而亮的边界线。