Полярные сияния

Ионизация атомов и молекул начинается тогда, когда энергия электрона превышает энергию ионизации атома или молекулы. Ионы действуют так же, если их скорости равны скорости электронов. Ионизация происходит наиболее эффективно, если скорость электрона в несколько раз больше, чем та минимальная скорость, при которой начинается ионизация. Это значит, что вначале, на верхней границе атмосферы, где энергия электронного пучка еще большая (и скорость тоже), электрон производит ионизацию атомов неэффективно. И только когда его энергия уменьшается (фактически почти в конце своего пути) электрон наиболее эффективно взаимодействует с атомами, вызывая их ионизацию (рис. 55). Собственно, именно электроны этих энергий интересны для рассматриваемой здесь проблемы полярных сияний; они проникают на те высоты атмосферы, где наблюдаются сияния.

Процесс ионизации происходит так, что первичный электрон выбивает из атома орбитальный электрон (назовем его вторичным), который получает от первичного электрона достаточную энергию, чтобы самому быть способным ионизовать другие атомы. Процесс носит характер каскадного ливня. При подсчете общей ионизации (числа пар ионов) получается, что большая часть ионов (70%) создается именно вторичными электронами. Каждый вторичный электрон уносит энергию около 90 эВ. Эта энергия может быть израсходована на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Возбуждение нейтральных частиц вызывается в значительной степени вторичными электронами.

Когда электрон израсходует свою энергию и ее недостаточно, для того чтобы ионизовать атомы, он способен остатки своей энергии передать атому или молекуле путем их возбуждения. Затем эти атомы или молекулы, переходя из возбужденного состояния в основное, излучают эту энергию в виде света различной длины волны (т. е. различного цвета).

Возбужденные состояния молекул бывают трех видов. Во-первых, они могут быть связаны с конфигурацией электронов в молекуле. Это так называемое электронное возбуждение. Во-вторых, — с колебаниями атомов относительно друг друга. Это колебательное возбуждение. В-третьих, — с вращением атомов относительно друг друга. Это вращательное возбуждение. Энергия вращательного возбуждения незначительна по сравнению с энергиями электронного и колебательного возбуждений.

Рис. 55. Глубина проникновения в атмосферу электронов (I) и протонов (II) различных энергий

Свечение атомов и молекул, которое представляет собой полярные сияния, происходит не только в результате действия энергичных электронов, при котором возникает прямое возбуждение первичными или вторичными электронами. Возбуждение спектров полярных сияний имеет место также при тепловых соударениях, т. е. при соударениях атомов и молекул с частицами, имеющими тепловые скорости. Если у этих частиц не хватает энергии, чтобы произвести ионизацию, то они возбуждают атомы и молекулы. При разогреве ионосферной плазмы электроны приобретают большие скорости, чем скорости тепловых электронов. Поэтому возбудить атомы и молекулы могут и электроны разогретой ионосферной плазмы. Наконец, возбуждение может вызываться и механизмами электрического разряда и вследствие разогрева электрическими полями.

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.