Полярные сияния

Мизун Юрий Гаврилович

Спектр полярного сияния состоит из многочисленных линий излучения и полос, которые принадлежат атомам и молекулам кислорода и азота, а также их ионам. В спектрах полярных сияний были обнаружены и все запрещенные атомарные линии излучения атомарного кислорода [OI], [OII] и азота [NI], [NII], которые находятся в видимой области спектра. Эти излучения возбуждаются электронами с энергиями около 10 кэВ. Кроме этих линий, в спектрах полярных сияний часто присутствуют также три первые линии серии Бальмера атомов водорода: Н, H и H. Наибольшую интенсивность имеет излучение в линии на длине волны 6563 A. На основании анализа спектров сияний на ряде ИСЗ было установлено, что водородные сияния вызываются протонами, средняя энергия которых равна 5—30 кэВ.

Водородные спектральные линии существенно расширены.

Если вести наблюдения в направлении зенита, то они оказываются несколько смещенными в область более коротких волн. Это смещение происходит за счет того, что излучающие частицы (водород) движутся в направлении к наблюдателю. Это смещение вызвано эффектом Допплера.

Тот факт, что спектральные линии водорода оказались сдвинутыми в сторону ультрафиолетового конца спектра, свидетельствует о том, что водород двигался из космоса в сторону наблюдателя.

Самая яркая линия в спектре полярного сияния зеленая, длина волны ее равна 5577 A. Эта линия принадлежит нейтральным атомам кислорода. Излучение в зеленой линии придает сияниям зеленоватую окраску. Напомним, что наибольшая чувствительность человеческого глаза приходится на длину волны 5550 A (очень близко к линии 5577 A). На длине волны 6300 A чувствительность глаза уменьшается в 10 раз по сравнению с чувствительностью на длине волны 5550 A.

Большую интенсивность в спектре сияний имеют полосы, которые излучает молекулярный азот. Имеется несколько систем таких полос.

В результате ионизации

некоторые молекулы азота образуются в возбужденном состоянии B²Z, которое является верхним уровнем для полос первой отрицательной системы. Если это так, то в некоторых случаях будет излучаться фотон в сильных полосах 3914 и 4278 A. Наиболее вероятное значение для отношения между полной скоростью ионизации в атмосфере, включая ионизацию кислорода, и числом фотонов 3914 A составляет около 25. Для полос 4278 и 4709 A соответствующие отношения будут около 75 и 300, принимая отношение 1,0 : 0,34 : 0,075 соответственно для интенсивностей полос 3914, 4278 и 4709 A. Эти отношения очень слабо зависят от энергии первичных частиц: отношения между эффективными сечениями рассматриваемых процессов лишь слегка меняются с энергией электронов.

Отрицательная система полос молекулярного азота расположена в фиолетовой и синей частях спектра. Излучение производят положительные ионы молекулярного азота (N₂⁺). Самые сильные полосы этой системы имеют длины волн 3914, 4278 и 4708 A.

Первая положительная система полос излучения молекулярного азота наблюдается в красной и инфракрасной частях спектра. Главные полосы этой системы имеют длины волн 5991 и 5867 A. Вторая положительная система полос интенсивнее, чем первая. Она преобладает в голубой и ультрафиолетовой частях спектра с длинами волн 3997 и 4059 A. Обе положительные системы излучаются нейтральными молекулами азота (N₂).

Название «положительная», как и «отрицательная», чисто условное: первые наблюдаются в разрядной трубке вблизи положительного электрода, отрицательная система полос — вблизи отрицательного.

Ионы молекулярного кислорода также излучают в зеленой и красной частях спектра (полосы отрицательной системы) с длинами волн 5577 и 6300 A.

Для изучения процессов возбуждения спектров полярного сияния важно знать детальное распределение интенсивности в каждой молекулярной системе полос.

Рэлей, исследуя зеленую линию спектра полярного сияния, определил измерительную единицу для количественного выражения этих измерений. Позднее, в 1956 г., эта единица интенсивности свечения атмосферы была названа Рэлеем. Интенсивность свечения в один Рэлей (R) соответствует излучению миллиона квантов, которые испускаются в одну секунду в столбе атмосферы сечением в 1 см². Единица в 1000 раз большая названа килорэлей (kR).

На геомагнитной широте около 65° в 80% случаев наблюдаются сияния с интенсивностью кислородной линии 5577 A от 0,75 до 11,5 kR (только 0,4% времени интенсивность превосходит 100 kR). Интенсивность красной кислородной линии 6300 A составляет от 5 до 100 kR. Свечение азотной линии 3914 A с интенсивностью по шкале яркости более 3 баллов (когда яркость сравнима с яркостью кучевых облаков, освещенных луной) соответствует 100 kR.

Интенсивность сияний (а также их интегральная яркость) может изменяться примерно в 10 тыс. раз. Все сияния разделены на 4 балла согласно международной шкале яркости. Интенсивность по мере увеличения балла на единицу увеличивается в 10 раз. Нулевой балл, введенный наряду с 4 баллами, означает, что полярные сияния визуально не фиксируются и могут быть обнаружены только инструментально. Интенсивность этого сияния составляет 0,1 kR.

Представляет большой научный интерес отношение интенсивностей излучения отдельных линий, особенно зеленой линии кислорода 5577 A, и первой отрицательной системы полос N₂⁺.

Измерение абсолютных величин интенсивности излучения в отдельных линиях все еще встречает определенные трудности. Так, для абсолютных измерений необходимо проводить калибровку приборов, что ограничивает точность измерений. Кроме того, прибор регистрирует весь свет, который излучается в пределах объезда пространства, охватываемого полем зрения прибора вдоль луча зрения. По этой причине привязать измерение интенсивности к определенным точкам полярного сияния трудно или даже невозможно. Этими и другими трудностями можно объяснить тот факт, что измерения интенсивности слабых излучений все еще малочисленны. Эти измерения чаще всего только указывают на сам факт существования излучений. Более того, даже измерения более сильных излучений в значительной степени ненадежны для определения абсолютных величин интенсивностей.

С Земли с помощью спектрографов с высоким разрешением, а также обычными фотографическими методами можно проводить измерение характеристик излучения в области спектра с длинами волн от 3300 до 9000 A.

Измерение интенсивности излучения различных линий полярных сияний имеет еще один аспект. Дело в том, что существует тесная связь между интенсивностью свечения в полосах первой отрицательной системы N₂⁺ (наиболее сильными являются линии 3914 и 4278 A) и количеством электронов, создающихся при ионизации атмосферы тем пучком электронов, который вызывает это излучение. Для изучения распределения электронов в полярной ионосфере эта информация весьма важна. Основная информация об электронной концентрации получается с помощью радиометодов, главными из которых являются зондирование ионосферы с поверхности Земли (или с самолета) и с помощью ионозондов, установленных на ИСЗ. В первом случае получаем информацию о распределении концентрации электронов «внутренней» ионосферы, т. е. ионосферы ниже главного максимума ионизации в области на высоте 300—400 км. Во втором (при зондировании со спутника) — ионозонд дает информацию о внешней ионосфере, т. е. выше этого максимума. В периоды, когда происходит интенсивное вторжение заряженных частиц, особенно больших энергий, способных достигать высот нижней ионосферы (100 км и ниже), метод вертикального зондирования с Земли становится неприменимым. Радиоволны не возвращаются из ионосферы и, таким образом, не приносят информацию о распределении электронов: они поглощаются в нижней ионосфере. Зато препятствий для измерения интенсивности излучения линий 3914 и 4278 A нет. По этим интенсивностям можно рассчитать количество электронов, образованных пучком вторгающихся электронов. В частности, по этой причине излучение в линиях 3914 и 4278 A измерялось очень часто и поэтому известно весьма подробно. Важно отметить, что распределения по высоте интенсивностей излучения линии кислорода 5577 A и указанных выше полос первой отрицательной системы N₂⁺ очень похожи между собой.

В процессе наблюдений удалось обнаружить линии излучения для всех возбужденных метастабильных состояний основных конфигураций нейтральных и однократно ионизованных атомов азота и кислорода. Чаще всего отмечаются излучения в результате таких переходов атомарного кислорода: 'D—'S (5577 A) и ³Р—'D (6300 и 6364 A) и атомарного азота ²D—²Р (10 395 и 10 404 A) и ⁴S—²Р (3466 A). Эти линии являются запрещенными. Они представляют интерес потому, что некоторые из них (особенно 5577, 6300 и 6364 A) имеют умеренную интенсивность и легко измеряются. Кроме того, по интенсивности излучения в этих линиях можно определить характеристики заряженных частиц, которые вызывают эти излучения. Для метастабильных атомов весьма важны столкновения, при которых они переходят в основное состояние (дезактивирующее). В результате этих столкновений энергия метастабильных атомов переносится к другим атомам и молекулам.