是流星耶！快许愿~|光谱|大气层|恒星|流星体|流星雨

作为2024年开年“天幕大戏”，第一场大规模流星雨——象限仪座流星雨在北京时间1月4日17时达到极大，天顶每小时出现率（ZHR）可达120。漫天绽放的流星可谓是为新年送上的一份浪漫祝福。但令人遗憾的是，对于全国大部分地区来说，流星雨辐射点于午夜后才升起，很难观测极大期，加之还有下弦月干扰，观测条件并不理想。

虽怀遗憾，但“明年此日青云去，却笑人间举子忙。”让我们永远期待生命中的下一场流星雨。为求“次次有新知”，那我们这次就让大家了解一下流星的颜色吧。

双子座流星光谱丨摄影：张超

流星的颜色

通常，火流星观测者会详细报告流星的颜色，因为火流星的亮度足够大，人类的色觉能够感知到。报告中的火流星的颜色范围可以涵盖整个可见光光谱，从红色到蓝色，以及很少的紫色。然而并非只有火流星才有颜色，每一颗划过的流星都有自己的颜色。虽然肉眼无法分辨，但通过数码相机或者光谱拍摄，我们还是能够得到属于这颗流星的颜色。

〇相机单张拍摄

下图为笔者2023年在紫金山天文台青海观测站捕捉到的英仙座群内流星，可以明显得看出流星的左边呈红色，右边呈绿色。这里有一个小问题，这颗流星的走向是从左划到右，还是从右划到左呢？别着急，答案就藏在这类流星的颜色中，相信阅读完本文，就能够得到答案。

紫金山天文台青海观测站上的英仙座流星丨摄影：单家辉

〇相机视频直录

有些高感光度的相机可以直接视频拍摄。从下面的这张流星划落的动图中可以看到，流星前后表现出两段色调略有差别的绿色。

直录流星丨摄影：张超

〇流星光谱

利用光谱仪将流星分光后可以让我们更好地分辨流星的颜色。下图是一颗英仙座流星雨的群内流星，背景中近水平方向的有色彩的单线是恒星，垂直方向的为流星。透过棱镜我们可以得到这颗流星不同阶段以及成分的颜色。

英仙座流星光谱丨摄影：张超

流星的发光原理

当流星体快速闯入地球大气层时，与大气摩擦导致升温从而发光。流星的化学成分是决定其颜色的主要因素。一些元素在高温燃烧时发出特定波长的光，从而显示其特有的颜色。比如，上图中偏蓝绿色的是波长为518nm的镁线，呈黄色的是波长为589nm 的钠线。除此之外，当流星在穿过大气层的时候，路径上的大气中的氧、氮等原子也因受热而发出特定波长的光，为流星附加特别的颜色。比如上图中最上面的那条波长为557.7nm偏黄绿色的线，主要来自大气中的氧原子，因此并不是流星本身的色彩。

但并非所有流星都有这条557.7nm氧原子的绿线。图中英仙座的流星平均速度较快，约为62km/s，携带的动能越大，就会导致在稀薄的大气层高处就开始发光。若是流星体足够大，仍能来到大气层的较低处，此时大气不再稀薄，更多的氧和氮受到激发，从而发射出宽红色谱线，导致流星的末端呈红色，也就是上图中左侧的红线。

总的来说，流星呈现的颜色与其本身的化学成分、大小、速度、被汽化的高度等有关。因此颜色可谓是了解流星的另一把钥匙，虽然复杂，但这也是研究流星光谱可爱的地方。

这里穿插一个原子物理的小知识：原子的外层电子在高温下会吸收能量跃迁到高能级，当它们回到低能级，就会产生特定波长光子。由于不同能级间的能量差不同，跃迁所产生的光子的波长也各不相同。

氧原子能级示意图丨图源：孙荣

例如，氧原子的最外层电子1S0能级与1D2能级间的能量差距更大，从1S0跃迁到1D2产生的是频率更高、波长更短的绿色谱线（557.7nm）；而1D2跃迁到3P1、3P2的能量差距较小，因此发射的是频率更低、波长更长的红光（636.4nm，630.0nm）。

快速流星的光谱，可见一条很强的557.7nm氧线丨图源：Society for Popular Astronomy

不同流星雨的光谱

流星的速度和成分与光谱之间存在着密切的关系。流星光谱可根据其发射线特征被分为X、Y、Z、W四个类型，其中X型有较强的钙（Ca）HK线，Y型有较强的钠（Na）、镁（Mg）线，而Z型则有丰富的铁（Fe）线或铬（Cr）线。W型为其他没有出现X、Y或Z类型特征的一类。这四种类型对应的流星体的速度为：X约15-20km/s，Z约30km/s，Y约60km/秒，而W属于不寻常成分的流星体。[1]

有学者根据速度从小到大排序，将2017年的双子座流星雨（Geminids)、天琴座流星雨（Lyrids）、英仙座流星雨（Perseids）、狮子座流星雨（Leonids）四场流星雨的光谱作了分析。考虑到没有完全一样的观测条件和星等，每个流星雨中选取一个有代表性、星等和波长范围内尽量接近的光谱。

不同流星雨的光谱比较丨改自：Society for Popular Astronomy

图中可以看出，由于双子座流星雨（Geminids）的母体是小行星，而其他流星雨均来自彗星，成分存在明显差异，因而在可以看到左侧金属线明显强于其他流星雨。除双子座流星雨之外，我们还可以发现，随着速度的增加，流星体携带的能量也越大，红色/近红外端(右侧）即大气中的氧和氮的比例也增加，左侧蓝端金属（Ca、Cr、Si和Fe）的比例在减少。

另外，双子座流星557.7nm的氧线比较弱。因为这条氧线只发生在110公里以上开始与大气层相互作用的快速流星上，所以通常双子座流星雨的颜色为白色。557.7nm和777.7nm线（红外线，不可见）是快速流星光谱最开始的氧线。

流星光谱拍摄

讲了这么多，大家是否也对流星光谱感兴趣准备在接下来的象限仪座流星雨中跃跃欲试呢？下面就介绍一下用物端棱镜拍摄流星光谱图片的方法。

棱镜分光的原理（也是彩虹形成的原理）其实是光的色散。光穿过不同的介质时，它的传播方向会发生偏折，这种现象被称为光的折射，而光线偏折的幅度则与这束光的频率以及介质的折射率有关。由于不同颜色的光频率不同，当它们从空气进入棱镜时，传播方向会发生不同幅度的偏折，由此我们就可以将混合在一起的光线区分开来，这就是光的色散。

棱镜分光示意图丨图源：网络

根据这个原理，不考虑组合棱镜，最简单的方式就是在镜头中插入这样一块带角度的棱镜，便可得到流星的光谱。

一种物端棱镜设计方案[2]

棱镜分光是最简单和便宜的一种方式，物端棱镜方案还能拍摄彗星光谱、恒星光谱、日食光谱等。缺点是只能用于检测较窄的光谱，分出来的光谱不是线性的，还得用已知光谱的恒星来定标。

除了棱镜分光之外，我们还可以用光栅来得到光谱，本文不做介绍。

使用物端棱镜拍摄的英仙座流星光谱。棱镜将背景恒星与流星的光一同分解，经过数张图叠加，恒星的一些主要吸收线也更加明显。丨摄影：单家辉

结语

国内对流星的光谱拍摄还很少，希望这篇文章能为大家的拍摄带来帮助，成为一块“砖”，引来千千万万的“玉”。

最后回答一下刚开始的疑问，因为英仙座流星速度较快，先在大气较为稀薄处开始发绿光，随后到大气层的较低处，来自氧和氮的宽红色带占主导，导致流星的末端呈红色。所以流星方向是从右（绿）划到左（红）。你答对了吗？再抛一个小问题，极光的绿色是因为什么产生的呢？

感谢张超老师、叶泉志老师对文章的指正。

参考资料：

[1] IMO Photographic Handbook-PART 3: METEOR SPECTRA