Полярные сияния

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.

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.