摘自（《天文爱好者杂志》原创EasyNight ）
之前，中国载人航天工程办公室发布了神舟十二号航天员在轨拍摄的照片，很多人注意到一个细节——地球外面竟然有一层发光的边界（图1）！
图1 北非大陆上的万家灯火，在地球外面，有一层发光的边界。摄影/汤洪波
这就是大气层吗？夜空中的大气层，为什么会是“亮”的呢？发光的这层又是在哪个高度？发光原理是什么？
这些问题的答案都指向一个词——气辉——一种大气发光现象。
为什么会有这样的现象呢？让我们从抬头仰望星空的一个细节说起。
在远离灯光的野外甚至空气稀薄的高原，欣赏纯净的夜空时，把目光放在星和星之间的“空隙”，可以感觉到没有星的区域仍然不是直觉上该有的“纯黑”，即使在望远镜中放大观察，暗星和暗星之间的“空隙”仍然有些许明亮，好像我们看到的夜空中有一个微弱发光的背景，而这个发光背景的主要成分，就是地球高层大气的微弱发光，叫做气辉（图2）。
图2 夜空中的气辉（红色、黄色和绿色的微光）摄影/马劲
在可见光波段，气辉最明亮的来源是高层大气的氧原子发出557.7nm的绿色光，稍弱的是钠原子发出的589.0nm/589.6nm的黄绿色光。这个颜色的大气发光现象，很容易让人联想到极光，但事实上，二者在分布、形态和原理上都有显著的不同。
从空间分布上看，极光只在高纬度靠近地球磁极的一圈存在，鲜有出现在低纬度，而且形态清晰且快速变化；反观气辉，则是一圈完整的发光球包裹在整个地球外面，近乎均匀分布，鲜有结构特征。而这些不同，均源自于它们发光原理的差异。
极光的出现，来源于太阳风中高能粒子对大气分子和原子们的轰击，微观粒子们变成激发态，随后通过回到基态的过程，释放特定能量而发光，化学上可分类为“荧光”。气辉的产生，则源于高层大气的紫外激发，这些紫外线有的直接来源于太阳光，更多的是高层大气中其它原子或离子受太阳光激发后产生的次级激发。这类激发现象在稀薄的高层大气中，可以存在数分钟到数小时，因此地球的夜半球，就有了能持续整夜发光的气辉，化学上可称其为“磷光”。
气辉不仅整夜可见，而且分布于整个夜半球。跟随地球自转和高层大气流动，粒子们运动到太阳照射的地方产生一定比例的紫外激发，随后运动到夜半球有些还在激发态的粒子就可能在某个时间回到基态而发光。这些发光没有地理位置的偏好，只有日夜的不同，因此气辉可以出现在整个大气层。相比之下，极光的产生和消失是瞬时的，大气粒子受到来自太阳的高能粒子轰击，即刻发光。而地球的磁场强烈地约束了这些通常带电的高能粒子，只会来到地球南北磁极附近的高纬度地区，因此除了少有的太阳剧烈活动期，只有南北磁极附近才可能看到极光。
了解了极光和气辉的原理后，我们可以发现二者均只能出现在稀薄的高层大气。因为如果靠近地表，假设有氧原子被激发，它很快就会和旁边的原子或者分子碰撞把能量释放掉，只有空气密度足够稀薄时，原子们被激发后能安全的自由热运动，直到自己发光释放能量回到基态。从地表向上走，这个足够稀薄的位置就出现在100km的高度上下。继续向上走，原子们同样也能如此发光，但是更稀薄，看到的光也更弱。因此最明显的发光就集中在100km上下，刚好和传统上对太空定义的100km“卡门线”相当。
此外，氧原子还有其它能级的激发，例如需要更长时间才能回到基态的一种红色发光，需要更高层大气的更低密度环境，这就形成了在距地表150-300km一层较弱较弥散的红色气辉层，相比100km的绿色气辉层，需要更多的曝光积累才可察觉，或者需要强烈的太阳活动打配合。
图1 北非大陆上的万家灯火，在地球外面，有一层发光的边界。摄影/汤洪波
最后，再借着开头那张照片，航天员从天空中拍摄的地球，尝试想象一下，气辉作为一层薄薄的微弱发光球包裹在距地表100km高度的地方，当我们看向这个发光球的切向，也就是气辉层的边界时，自然就看到了这条发光的条带。这一层发光的边界，正是地球上观察夜空时最主要的背景光。
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