книги из ГПНТБ / Омхольт, А. Полярные сияния

120 ГЛАВА 4

Наиболее интенсивные системы полос соответствуют раз­ решенным переходам. В видимой части спектра преобла­ дают первая и вторая положительные системы полос N2 и первая отрицательная система полос № +, полосы Мейнела N2+ доминируют в красной и ближней инфракрасной областях спектра, а полосы Лаймана—Бирджа—Хоп- филда N2 — в ультрафиолетовой области. Последняя сис­ тема полос разрешена только для магнитнодипольных пе­ реходов, но вероятность такого перехода довольно высока ~ 104 с-1 [68], и дезактивация столкновениями не возможна. Система полос N2 Вегарда—Каплана и полосы атмосферной системы кислорода 0 2, которые обусловлены запрещенными переходами, обычно присутствуют, но их интенсивность меняется в значительных пределах по сравнению с другими основными эмиссиями. Запрещенная инфракрасная сис­ тема полос атмосферного кислорода О2 ранее была предпо­ ложительно включена в список эмиссий сияний [12], но маловероятно, чтобы она была видна в спектре, получен­ ном с земли [59]. Однако полоса (0—0) М2 700 Â, которая сильно поглощается в атмосфере [19], по наблюдениям с ракет [34], а также с аэростатов и самолетов [32, 34, 41] имела большую интенсивность.

Первая отрицательная система полос Ог+ слабая, но присутствует постоянно и в большинстве случаев легко наблюдается в полярных сияниях на малых высотах.

Время от времени чрезвычайно слабые спектральные детали предварительно отождествлялись с другими сис­ темами полос. Реми и др. [52] производили систематический поиск таких деталей и установили, что нельзя исключить

можно извлечь из самого факта их присутствия или их интенсивности. Усиление ночной эмиссии ОН в инфра­ красной области во время сияния не обнаружено [24].

4.1.6. Распределение интенсивности в спектре. Интен­ сивности различных линий и полос в спектре сияния пред-

ставляют интерес не только для отождествления, но и для изучения основных процессов. По мере того как в резуль­ тате теоретических и лабораторных исследований растет объем знаний о различных процессах возбуждения и де­ зактивации, спектральные интенсивности дают все больше информации. К сожалению, как указывалось в п. 4.1.1, измерения интенсивности все еще далеко не удовлетвори­ тельны. Однако о самых сильных эмиссиях начинают на­ капливаться ценные данные.

Примерно до 1953 г. фотографические спектры были единственным средством получения распределений интен­ сивности в спектре полярного сияния. Вегард с сотрудни­ ками [62, 63] нашли распределения интенсивности боль­ шого числа линий и полос. Нужно отметить, что эти рас­ пределения интенсивности имели большие погрешности, как часто бывает при фотографических измерениях. Раз­ личия между спектрами сияний и спектрами сравнения (линейчатый спектр с длинной экспозицией сравнивался с непрерывным спектром с короткой экспозицией) и неопре­ деленностью в спектральном распределении калибровоч­ ной лампы также являются важными источниками ошибок. Сравнение с последними фотометрическими данными под­ тверждает это. Тем не менее такие измерения были очень ценны при отождествлении. Петри и Смолл [48—50] про­ вели обширные измерения интенсивности в спектре сия­ ния, однако полученные интенсивности нельзя считать очень точными.

Применение фотоэлектрических приемников излучения (фотоумножителей) произвело революцию в измерениях интенсивности в спектре полярного сияния. Хантен ис­ пользовал сканирующий фотоэлектрический фотометр для исследования сияний и показал, что можно производить надежные измерения интенсивностей [27]. С тех пор фо­ тоумножители являются основным прибором для измере­ ний интенсивности (см., например, [29]). Они сделали дос­ тупными для измерений инфракрасную (см. [30, 59]) и

-ультрафиолетовую (см. [20]) области спектра. Однако да­ же с этими приборами не удается избежать значительных неопределенностей; в частности, ошибки связаны со стан­ дартными источниками для калибровки. Вследствие того что трудно достичь высокой точности, все еще имеет место

стема_полос

а) Нормирована к интенсивности первой отрицательной системы полос. б) Неуверенно

в) Все другие интенсивности нормированы к X 5577. Заметим, что отношение / (X 5577)// (X 3914) — 2 использовано в этой табли

це для дальнейшего нормирования.

**) Сильно изменяющаяся (см. также п. 4.2.3 и гл. 5). Д) Очень неуверенно.

е) Принимая 2,0 как наиболее общее значение для отношения / (X 5577)// (X 3914) (п. 4.2.2).

124 ГЛАВА 4

серьезный недостаток данных, особенно о наиболее слабых эмиссиях.

В табл. 4.4 приведены приближенные интенсивности некоторых важных линий и полос.

Для рассмотрения процессов возбуждения спектра сия­ ния важно знать детальное распределение интенсивности в каждой молекулярной системе полос. Некоторые такие

4.2.Локальные вариации в спектре

4.2.1.Введение. Под локальными вариациями в спектре подразумеваются вариации, которые связаны с высотой излучения или его относительным положением в пределах формы сияния. Большинство резко выраженных вариаций в спектре сияния, по-видимому, обусловлено вариациями его высоты. Это предположение согласуется с современ­ ными представлениями об основных процессах возбужде­ ния. Электроны или протоны данной энергии отдают свою энергию в ограниченной области высот в атмосфере, сле­ довательно, возбуждение на определенной высоте в значи­ тельной степени вызывается электронами или протонами в ограниченном интервале энергий. Вид частицы и ее удель­ ная энергия наряду с атмосферной плотностью и составом определяют спектральные характеристики.

Спектральные различия, которые замечены между сия­ ниями разных типов, также, вероятно, обусловлены высот­ ными вариациями. Считают, что сияния типа А и красные дуги, относящиеся к красным полярным сияниям с силь­ ными красными линиями [01], возникают на больших высотах, тогда как сияния типа В, характеризующиеся сильной красной нижней границей, образуются очень низко в атмосфере (от 70 до 90 км).

Следовательно, наиболее вероятно, что различные спек­ тральные типы сияний представляют собой только крайние спектральные характеристики, непрерывно изменяющиеся с высотой. Поэтому мы не будем подробно рассматривать отдельные типы полярных сияний, а опишем высотные ва­ риации спектра в самых общих чертах.

Хотя были отмечены и наблюдались важные спектраль­ ные вариации с высотой и в горизонтальном направлении, трудно было получить хорошие количественные измерения по нескольким причинам. Одной из них является сложная структура полярного сияния, наряду с тем что наблюдатель с земли автоматически интегрирует эмиссию вдоль луча зрения своего прибора. Параллактические наблюдения форм сияния, проводимые в отельных спектральных ли­ ниях, затруднительны, и до последнего времени не было достигнуто какого-либо успеха.

Другая причина заключается в сравнении эмиссий в разных спектральных областях. Количественные изме­ рения спектральных интенсивностей очень трудоемки, и даже относительные измерения сильно подвержены погреш­ ностям калибровки, когда разность длин волн велика.

Наконец, атмосферные рассеяние и поглощение в зна­ чительной степени искажают распределение интенсивно­ сти, особенно в коротковолновом диапазоне, где сильно рэлеевское рассеяние, и в инфракрасной области, где пре­ обладает поглощение. Учет рассеяния и поглощения ком­ понентами воздуха, содержание которых переменно, всегда труден. Астрономические таблицы атмосферной экстинкции пригодны только для точечных источников. В случае протяженного источника свет, который рассеивается из пучка, частично компенсируется светом от других частей источника, рассеянным в пучок. Что касается сияния, даже покрывающего все небо, то видимое ослабление вследствие рассеяния, уменьшается примерно наполовину, так как в целом около половины рассеянного света уходит вверх и приблизительно столько же направлено вниз. Вследствие вариаций содержания водяного пара, пыли и других (часто искусственных) загрязнений рассеяние и поглощение мо­ гут значительно изменяться со временем.

По этим причинам многие представленные здесь данные лишь качественны, и настоятельно необходимы более надежные количественные измерения.

4.2.2. Отношение интенсивностей линии Х5577 и пер­ вой отрицательной системы полос. Отношение интенсив­ ностей зеленой линии кислорода [01] Ю — Х5577 А и первой отрицательной системы полос №:+ весьма важно.

126 ГЛАВА 4

Эти две эмиссии имеют сильно различающиеся потенциалы возбуждения. Потенциал возбуждения 0(х5) равен 4 эВ, если возбуждение происходит с уровня О (3Р), и 9 эВ, если атом возбуждается посредством диссоциации Оз (пп. 5.1.1 и 5.3.1). Потенциал возбуждения первой отри­ цательной системы полос составляет около 19 эВ. Поэтому отношение скоростей возбуждения должно быть чув­ ствительным к изменениям условий возбуждения. Наи­ более интенсивными и важными полосами первой отрица­ тельной системы являются (0—0) Х3914 А, (0—1) Х4278 А

и (0—2) Х4709 А-

Вариации отношения интенсивностей X 5577 и первой отрицательной системы важно знать, поскольку обе эмис­ сии широко используются для оценки активности поляр­ ных сияний и патрульных наблюдений общей интенсив­ ности сияния как самые сильные и легче всего наблюдае­ мые. Если их относительная интенсивность изменяется систематически или беспорядочно, то необходимо это знать, прежде чем сравнивать различные ряды наблю­ дений.

Обычно принимается, что рассматриваемое отношение практически постоянно (в пределах ±50%) в обычных полярных сияниях. Хотя трудности, связанные с абсолют­ ной калибровкой, приводят к большим расхождениям ре­ зультатов разных авторов, каждый отдельный ряд наблю­ дений подтверждает, что это значение является обычным верхним пределом вариаций [25, 33, 35, 42, 44, 51).

По-видимому, отсутствуют значительные высотные ва­ риации в пределах формы сияний средней интенсивности по крайней мере до 200 км. Это подтверждается как на­

сивностей X 5577 и первой отрицательной системы меньше. В сияниях, связанных с поглощением в полярной шапке, это отношение составляет 0,2 или меньше (разд. 8.6), и излучение, вероятно, локализовано между 30 и 80 км. Аналогично полярные сияния типа В с нижней границей на высоте примерно 80 км характеризуются гораздо мень­ шим отношением интенсивностей [18].

В среднем, вероятно, не существует значительных сис-

30

20

15

10

а

g 30

2 . 20

>15

£іо

2 ^ зо

20

15

10

ҢЛ4709)

Рис. 4.8. Сопоставление отношения /(Х5577)//(Х4709) и абсолютной интенсивности /(Я4709), а — диффузные и пятнистые сияния, диффузное свечение, б — верхняя и средняя части лучей, в — остальные типы сияний.

тематических вариаций этого отношения в зависимости от формы и интенсивности, хотя из данных [31] можно заключить, что иногда имеют место систематические ва­ риации с интенсивностью, так как обе эмиссии, вероятно, по-разному связаны с ионизацией сопровождающего их спорадического слоя Е. Данные, приведенные на рис. 4.8, показывают слабое систематическое уменьшение отноше­ ния I (X 5577)11(X 4709) с увеличением абсолютной интен­ сивности, тогда как в данных [25, 42] отсутствуют какиелибо указания на такой эффект.

Сообщалось, что наблюдались систематические большие пространственные вариации в спокойных дугах при помощи

128 ГЛАВА 4

учета атмосферного рассеяния [35]. Сходные вариации получены косвенно из результатов наблюдений с ракет [5, 15, 37, 39]. Однако интерпретация этих наблюдений весьма сомнительна, в частности потому, что фотометры быстро вращались. Если интенсивность сияния быстро меняется, то большие кратковременные вариации отно­ шения / (X 5577)/І(Х 3914) могут происходить в любом пят­ не, и они обусловлены временным запаздыванием излу­ чения запрещенной зеленой линии (разд. 5.4). Однако вполне вероятно, что иногда имеют место систематичес­ кие вариации, причем эмиссия 5577 А более ограниченна в горизонтальном направлении, чем первая отрицательная

формы, чем полосы N2 ПО].

Можно заключить, что, по крайней мере когда излу­ чение интегрируется по значительному объему полярного сияния (т. е. в большом поле зрения), отношение интен­ сивностей X 5577 и первой отрицательной системы довольно

4709 А (разд. 2.2). Вариации с высотой малы, за исключени­ ем малых высот. Имеются указания на то, что происходят иногда мелкомасштабные пространственные вариации.

4.2.3. Другие запрещенные эмиссии. Для запрещен­ ных линий и полос, излученных метастабильными атомами и молекулами, распределение интенсивностей с высотой отличается от наблюдаемого для разрешенных эмиссий. Дезактивация столкновениями (разд. 5.2) гасит эти эмис­ сии на малых высотах, и поэтому их интенсивности по сравнению с другими эмиссиями сильно падают с уменьше­

ными красными линиями кислорода (см. [12, 21]). Однако количественные измерения этого эффекта трудновыполни­ мы и имеют большие погрешности из-за больших различий в пространственном положении областей, излучающих красные линии и разрешенные эмиссии. Происходит не только гашение на малых высотах, но также и диффузия возбужденных атомов наружу из формы сияния в течение их значительного времени жизни (ПО с, если отсутствуют возмущения). На больших высотах действуют даже различ­ ные механизмы возбуждения (пп. 5.1.2 и 5.1.3). Эти эффекты были ясно видны в дуге сияния, параллактические наблю­ дения которой выполнены фотометрическим методом [53]. Интенсивность эмиссии X 6300 максимальна . на высоте от 220 до 300 км, зависящей от принятого горизонталь­ ного распределения, интенсивности линии [ОІ] X 5577 и

полос первой отрицательной системы N2 имели максимумы на высоте около 120 км. Распределение интенсивности красной линии было много шире в горизонтальном направ­ лении, более чем в 10 раз по сравнению с зеленой линией (полуширина около 50 км по сравнению с немного меньше чем 4 км для зеленой линии). Был сделан вывод [53], что дезактивация столкновением красных линий оказывается практически полной ниже 150 км и существенна до высоты 240 км. Эти измерения также дают почти бесконечное зна­ чение для отношения І(Х 6300)/І(Х 5577) в верхней части полярного сияния в согласии с тем, что иногда наблюдали другие исследователи (см. [12]). Высокие красные дуги,

были выполнены только для одного сияния и, вероятно, подвержены значительным ошибкам, эти эффекты хорошо выявлены.

Меркрей [40] при помощи фотометров, установленных на ракете, измерил отношение І(Х 5577)//(Л 6300) и нашел Вариации с высотой (рис. 4.9). Его данные показывают, что отношение интенсивностей приблизительно постоянно в пределах от 200 до 300 км и что гашение существенно, но далеко не полное на высоте 150 км. 90% гашения красных линий, вероятно, происходит на высоте около 130 км. Коэффициент дезактивации, равный ^ 1 0 -1а см3/с, который

Рис. 4.9. Зависимость отношения /(Я5577)//(Х6300) от высоты на основании ракетных данных [40]. Сплошная и штриховая кривые

сияния.

Имеются только качественные данные о высотных ва­

наружен в спектре верхней части полярных сияний [43], линия [NII1X6584 (3Р — Ю) наблюдалась в полярных сия­ ниях типа А [9] и коррелировала с узкими линиями во­

дорода [22].

Обнаружено, что полосы атмосферной системы кисло­ рода Ог {Ь X 3Sg) значительно усиливаются по от­