Полярные сияния

Мизун Юрий Гаврилович

Наиболее интенсивные системы молекулярных полос излучения соответствуют разрешенным переходам, В видимой части спектра преобладают первая и вторая положительные системы полос N₂ и первая отрицательная система полос N₂⁺, полосы Мейнела N₂⁺ доминируют в красной и ближней инфракрасной областях спектра, а полосы Лаймана—Бирджа—Хопфильда N₂ — в ультрафиолетовой области.

Первая отрицательная система полос O₂⁺ слабая, но присутствует постоянно

и в большинстве случаев легко наблюдается в полярных сияниях на малых высотах.

Примерно до 1953 г. фотографические спектры были единственным средством получения распределений интенсивности в спектре полярного сияния. К сожалению, эти измерения имели большие погрешности. Применение фотоэлектрических приемников произвело революцию в измерениях интенсивности в спектре полярного сияния. В этом методе ошибки связаны со стандартными источниками для калибровки. Поэтому данных об интенсивности излучений (особенно слабых) все еще недостаточно.

Электроны или протоны данной энергии отдают свою энергию в ограниченной области высот в атмосфере. Поэтому возбуждение атомов или молекул (и ионов) на определенной высоте в значительной степени вызываются электронами или протонами в ограниченном интервале энергий. Следовательно, спектральные характеристики определяются видом частицы (электрон или протон) и ее удельной энергией, а также плотностью атмосферы и ее составом. Поэтому большинство резко выраженных вариаций в спектре сияния обусловлено именно вариациями его высоты.

Спектральные различия, которые замечены между сияниями разных типов, также, видимо, обусловлены высотными изменениями (вариациями).

Полярные сияния типа А и красные дуги, относящиеся к красным полярным сияниям с сильными красными линиями 6300 A, возникают на больших высотах. Сияния типа В, которые характеризуются сильной красной нижней границей, образуются очень низко в атмосфере (от 70 до 90 км).

Хорошие количественные измерения спектров полярных сияний трудно получить по следующим причинам:

1. Из-за сложной структуры полярного сияния, причем наблюдатель с Земли автоматически суммирует эмиссию вдоль луча зрения своего прибора.

2. Количественные измерения спектральных интенсивностей очень трудоемки и даже относительные измерения сильно подвержены погрешностям калибровки, когда разность длин волн велика.

3. Атмосферное рассеяние и поглощение света в значительной степени искажают распределение интенсивности, особенно в коротковолновом диапазоне, где сильно рэлеевское рассеяние, и в инфракрасной области, где преобладает поглощение. Учет рассеяния и поглощения составляющими воздуха, содержание которых переменно, всегда сложно. В случае протяженного источника света, который рассеивается из пучка, излучение частично компенсируется светом из других частей источника, рассеянным в пучок. Поэтому астрономические таблицы атмосферной экстинкции не могут быть применимы. Они пригодны только для точечных источников.

В случае сияния видимое ослабление вследствие рассеяния уменьшается примерно наполовину: в целом около половины рассеянного света уходит вверх и приблизительно столько же направлено вниз. Из-за изменения содержания водяного пара, пыли и других загрязнений рассеяние и поглощение могут значительно изменяться со временем.

Все указанные причины приводят к тому, что имеющиеся данные о спектрах полярных сияний являются недостаточно точными и настоятельно необходимо иметь более надежные количественные измерения.

Определение температуры атмосферы в области полярных сияний

Тепловые атомы и молекулы, излучающие в определенных линиях спектра, находятся в постоянном и беспорядочном движении. За счет их движения будет происходить допплеровское смещение линии излучения. По этому уширению можно измерять температуру газа, причем излучающие возбужденные атомы и молекулы должны находиться в тепловом равновесии с другими частицами атмосферного газа. Только при этом условии существует однозначная связь между энергиями возбужденных атомов и молекул и температурой атмосферы.

В этом методе обычно измеряют допплеровский профиль запрещенных линий кислорода 5577, 6300 и 6364 A. Время жизни атомарного кислорода в метастабильном состоянии достаточно для восстановления теплового равновесия с окружающей атмосферой, которое в процессе возбуждения нарушается. Для атомов О ('S) оно равно около 0,7 с, тогда как частота столкновений на высотах 100—170 км изменяется от 10³ до 10^{– 1} с. Ниже 300 км тепловое равновесие будет успевать восстанавливаться и для атомов O ('D), время жизни которых 110 с.

Выбор указанных линий излучения хорош и тем, что самопоглощение в этих линиях мало. Импульс возбуждающего электрона мал (из-за малости массы последнего). Поэтому при прямом возбуждении атомарного кислорода электронным ударом скорость атомов изменяется несущественно.

При измерении температуры атмосферы допплеровским методом необходимо измерять допплеровское уширение линии излучения всего в 0,01 A. Интерферометры Фабри-Перо с оговорками годятся для таких измерений, так как необходимое время сканирования их при этом должно быть не менее 15 с. Лучшие результаты дает использование интерферометра Майкельсона с компенсацией поля.

Результаты измерения температуры атмосферы допплеровским методом показали, что она за 2—3 мин может меняться на 100 К. Было также получено, что с увеличением яркости свечения допплеровская температура уменьшается. Даже при кратковременных изменениях интенсивности изменяется температура. Такая зависимость связана с тем, что высота полярного сияния зависит от характеристик вторгающихся частиц, а именно их энергии.

Второй метод определения температуры атмосферы связан с распределением молекул по вращательным энергиям, которое влияет на распределение интенсивности внутри полосы излучения. Данный метод применяется главным образом к полосам первой отрицательной системы азота N₂⁺. В фиолетовой части спектра, где эти полосы наиболее интенсивны и их легко измерять, вращательная температура такова, что распределение энергии среди вращательных линий можно достаточно точно измерить. Самопоглощение для этих полос мало из-за низкой концентрации ионов N₂⁺. В молекулярных полосах распределение интенсивности вращательных уровней удобно для целей измерения температуры: большинство вращательных уровней населено.

Распределение населенности очень чувствительно к температуре газа. Однако и этот метод сопряжен с большими сложностями, связанными со структурой полос, их интенсивностью и пространственным разрешением, а также с трудностью точно определить высоту полярного сияния. Вращательные линии заметно перекрываются, а слабые полосы сильно блендуются другими эмиссиями полярных сияний. Метод, естественно, дает большую точность для случаев более интенсивных полярных сияний (это позволяет взять меньше время измерения).