книги из ГПНТБ / Омхольт, А. Полярные сияния
.pdfКосмические
исследования
Астрономия
Геофизика
А.Омхолып
ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ
A. Omholt
Universitet i Oslo, Fysisk Institutt, Blindem
OSLO, NORWAY
THE OPTICAL AURORA
SPRINGER-VERLAG
1971
А . Омхолы
ПОЛЯРНЫЕ сияния
Перевод с английского В. С. ГОРЯЧЕВОЙ и Л. А. ЮДОВИЧ
іакцией ФЕЛЬДШТЕЙНА и Н. Н. ШЕФОВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва 1974
Книга видного норвежского геофизика А. Омхольта посвящена успехам в изучении оптических полярных сияний — свечения верхних слоев земной атмосферы.
Автор последовательно рассматривает электронные и протон ные сияния, их спектры от инфракрасной до ультрафиолетовой области и их возможную интерпретацию, связь сияний с другими явлениями. .
Книга представляет большой интерес для читателей, интере сующихся физикой верхних слоев атмосферы и космического про странства. Она может служить учебником для студентов соответ ствующих специальностей.
j
Редакция космических исследований, астрономии и геофизики
Перевод с английского, «Мир», 1974
20807-110
О ------------------
041(01)-74
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
Полярные сияния являются наглядным свидетельством вторжения в атмосферу потоков' заряженных частиц и од ним из очевидных доказательств существования солнечно земных связей. Их всесторонние исследования опреде ляются в настоящее время настоятельными потребностями
практики. |
: |
Оптические эмиссии атмосферы, их спектральные ха |
|
рактеристики позволяют определять как |
параметры |
космических частиц, так и параметры самой атмосферы. Эти важные данные можно получить, обрабатывая спек тры полярных сияний и измеряя их абсолютные интенсив ности. Однако получение высококачественных спектров с малым временным разрешением, что важно именно при исследовании полярных сияний вследствие их изменчи вости, стало возможным только в последние годы. Кроме того, сама интерпретация спектров является довольно трудной задачей, поскольку и сейчас не полностью ясен механизм их возбуждения. Поэтому систематизация дости жений в этой области необходима для развития дальней ших исследований.
В предлагаемой монографии видного норвежского ученого А. Омхольта обобщены результаты исследо ваний оптических полярных сияний, выполненных в ос новном классическими — фотометрическими и спектраль ными — методами в течение последних десяти лет. Эти результаты существенно дополняют и расширяют наши знания о возбуждении и излучении различных составляю щих атмосферы под действием корпускулярного излучения. Таким образом, книга является естественным продолжением
6 |
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА |
фундаментальной монографии Дж. Чемберлена «Физика полярных сияний и излучения атмосферы», выпущенной
врусском переводе в 1963 г.
Втечение последних 20 лет профессор Омхольт активно работал в области физики полярных сияний в университе те Осло и в геофизической обсерватории Тромсё. Ему при надлежат важные результаты в интерпретации спектров сияний в высоких широтах. Естественно, что изложение этих проблем в книге отражает научные интересы автора
монографии.
Содержащееся в монографии подробное описание взаи модействия электронов и протонов с атмосферой, спектров свечения и их интерпретация, а также постановка проблем, требующих своего решения, делает предлагаемую книгу полезной и необходимой для специалистов, занимающихся проблемами солнечно-земных связей, физики верхней ат мосферы не только Земли, но и планет. В то же время прос тота и физичность изложения позволяют рекомендовать эту книгу студентам, специализирующимся в области фи зики атмосферы и солнечно-земных связей.
Я- И. Фельдштейн Н. Я. Шефов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель этой книги — описание, и анализ полярного сия ния как оптического явления, которое может наблюдаться как невооруженным глазом, так и более чувствительными оптическими приборами. Книга продолжает традиционный метод изучения впечатляющего явления природы — по лярного сияния, которое наблюдалось и обсуждалось гре ческими философами еще в VI в. до нашей эры.
В настоящее время изучение оптического полярного сияния — лишь один из многих способов получения ин формации о грандиозном явлении: выбросе плазмы из Солн ца, взаимодействии этой плазмы с геомагнитным полем и инжекции быстрых частиц в атмосферу Земли. Таким образом, повышенное внимание, уделяемое сияниям, оп равдано особым научным подходом: обнаружением и интер претацией электромагнитного излучения в диапазоне при мерно 1000—10 000 Â, возникающего при взаимодействии авроральных.частиц с земной атмосферой.
Другие методы, такие, как радионаблюдения, наблю дения рентгеновского излучения, прямые измерения пото ков частиц с ракет и спутников, изучение магнитных бурь, измерения характеристик магнитных полей и плазмы в маг нитосфере, важны так же и даже более, чем классический метод изучения оптических полярных сияний. Тем не ме нее целесообразно посвятить оптическому свечению отдель ную книгу, вероятно, главным образом потому, что в на стоящее время один ученый не в состоянии дать обзор всей проблемы с достаточной полнотой. Эта книга поэтому яв ляется одним из томов в серии книг, дающих законченное описание физики и химии космического пространства.
8 |
ПРЕДИСЛОВИЕ |
Изучение оптических полярных сияний имеет два су щественно различных аспекта. Во-первых, рассмотрение оп тического излучения, как одного из конечных результатов грандиозного явления, охватывающего пространство меж ду Землей и Солнцем. В этой связи земную атмосферу мож но рассматривать как сцинтилляционный экран, и цель исследования сияний состоит в сборе данных о потоках частиц, проникающих в атмосферу, и фундаментальных процессах, обусловленных вторгающимися частицами. Вовторых, по данным об оптическом излучении можно выя вить, каково воздействие первичного потока заряженных частиц на ионосферу и, следовательно, изучать возмущения в ионосфере, вызванные этими частицами. Такие исследо вания необходимы в связи с проблемой распространения радиоволн и другими явлениями в радиодиапазоие.
Оба аспекта освещены в данной монографии, хотя невоз можно и нецелесообразно рассматривать их отдельно в разных главах или делить монографию на две отдельные части.
Большинство явлений, рассмотренных в этой книге, с исчерпывающей полнотой описаны в замечательной моно графии Чемберлена [12]*. Однако с 1960 г., когда была написанакнига Чемберлена, появилось много важных публикаций и наши знания о полярных сияниях существен но углубились. В этой монографии мы заострим внимание на достижениях последних лет и не будем повторять то, что было известно к 1960 г. Поэтому для более подробного знакомства читатель отсылается к монографии Чемберлена.
Мы не будем давать исторического обзора. Краткие резюме истории исследований полярных сияний опубли кованы Чепменом [13, 14]*; Более обширная информация содержится в упомянутой выше монографии Чемберлена.
.................... А. Омхолып
* См. библиографию к гл. 1.
СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
В монографии используются' стандартные спектроско пические обозначения. Некоторые символы иногда исполь зуются для обозначения других величин, как принято в литературе. Их смысл ясен из контекста.
а — коэффициент рекомбинации, Атп — вероятность перехода,
В, В — напряженность магнитного поля (вектор, скаляр),
е— заряд электрона,
Е— энергия отдельной частицы,
Е, Е •— напряженность электрического поля (вектор, скаляр),
Ф— геомагнитная широта,
Н— шкала высот,
На, Hß — линии серии Бальмера, Іг — высота,
I — поверхностная яркость, второй адиабатический (интегральный) инвариант,
4tJ — яркость полярного сияния, L — параметр Мак-Илвейна,
A l — инвариантная геомагнитная широта, X — длина волны,
т — масса частицы, р. — магнитный момент,
V— частота, частота столкновений,
S— телесный угол,
ш— угловая частота, гирочастота,
— волновая функция,