книги из ГПНТБ / Омхольт, А. Полярные сияния

является одной из наиболее важных при дезактивации ато­ мов N(2D). Время жизни атома в состоянии (2D) около 26 ч, так что непосредственно излучается очень мало энер­ гии (ср. разд. 5.2). Поэтому половина возбуждения эмис­ сии Х6300 Â может быть связана с этим процессом на вы­

Согласно [129], этот процесс важен, но только на больших высотах. Выше 400 км он может давать вклад до 30%, но ниже 200 км этот вклад незначителен [80].

Процессы, в которых в качестве одной из сталкивающих­ ся частиц участвует ион или частица в долгоживущем метастабильном состоянии, ведут к эффектам временного за­ паздывания при возбуждении. Измерения быстрых времен­ ных вариаций в спектрах сияний дали бы возможность понять, в какой степени тепловые столкновения ионов или частиц в метастабильных состояниях ответственны за возбуждение других авроральных эмиссий. Дело в том, что во всех случаях в среднем проходит значительное время (>. 0,5 с) с момента образования иона или частицы в метастабильном состоянии, до момента, когда происходит обмен энергией. Если образование ионов и метастабильных состояний происходит одновременно с первичной иониза­ цией, то должно иметь место временное запаздывание между ионизацией и излучением, возбуждаемым тепловыми соударениями. Такое временное запаздывание можно бы­ ло бы наблюдать в быстро меняющихся сияниях фотоэлек­ трическими методами.

Эфтештол и Омхольт [66] рассмотрели и измерили этот эффект для возбуждения полос Мейнела и полос первой отрицательной системы N2 +. Предполагая, что эти полосы возбуждаются только первичными и вторичными электро­ нами, они нашли, что на долю тепловых соударений при­ ходится хотя и не основной, но все же значительный вклад в возбуждение. Приведенные результаты следует рассмат­ ривать лишь как предварительные.

Эванс и Валланс Джонс [68] изучили временное за­ паздывание между полосами первой отрицательной сис-

что возможное время запаздывания меньше 0,1 с. Резуль­ таты изучения зеленой и красных линий кислорода согла­ суются с точкой зрения, что перенос энергии соударениями имеет важное значение лишь для возбуждения Х6300 и

[101] также допускал, что дублет натрия усиливается в сияниях типа В. Это убедительно показал Дерблом [60]. Прямое возбуждение атомов натрия первичными частица­ ми и вторичными электронами, по-видимому, неэффектив­ но из-за низкой концентрации атомов натрия. Хантен [102] предположил, что натрий возбуждается в реакции

Na + N„ (и > 8 ) N a(2P )-f Na. (5.15)

Эффективное сечение возбуждения N2 на уровень ѵ ----- 8 электронами с энергиями от 2,6 до 3,0 эВ порядка ІО“17 см2 [44]. Из сравнения этого значения с эффективными сече­ ниями, приведенными на рис. 5.1, и с вычислениями Столярски [189] различных скоростей возбуждения можно предположить, что скорость возбуждения N2 (ѵ — 8) дол­ жна быть по порядку величины такой же, как скорость возбуждения зеленой линии кислорода при прямом воз­ буждении атомарного кислорода, или несколько выше. Интенсивность дублета натрия составляет около 1% ин­ тенсивности зеленой линии (1 килорэлей в полярном сия­ нии балла III). Поскольку относительное содержание атомов натрия в воздухе всего лишь около 10-10, эффек­ тивность гашения уровня ѵ — 8 молекулы азота атомами натрия должна быть в ІО7 или ІО8 раз выше, чем другими частицами. Хантен [102] считает, что возможны коэффициен­ ты скорости реакции 3-10-10 см3/с или больше, тогда как, согласно Ципфу [212], подходящий порядок величины ІО-10 см3/с. Однако коэффициент скорости гашения воз­ бужденного состояния N2 другими молекулами азота око­ ло ІО-14— ІО'15 см3/с для уровней с и от 4 до 10 [212], и при этих значениях невозможно достаточно эффективное возбуждение натрия. Хотя все данные неопределенны, рассматриваемым здесь процессом пренебрегать нельзя.

5.1.3. Возбуждение тепловыми электронами. В п. 5.1.1 было указано, что вторичные электроны теряют также энергию в результате столкновений с частицами окружаю­ щего электронного газа. Скорость потерь энергии дается уравнением (5.5). В результате этих столкновений темпера­ тура электронного газа поднимается выше температуры ио­ нов и нейтральных частиц, и электронный газ может давать вклад в возбуждение оптического излучения. Чтобы найти электронную температуру, нужно рассмотреть баланс меж­ ду процессами разогрева и потерь, причем последние про­ исходят главным образом в результате столкновений с ионами и нейтральными частицами и вследствие теплопро­ водности.

Разогрев электронного газа фотоэлектронами в дневное время и связанные с ним суточные вариации электронной температуры были подробно изучены (ср. [541) В полярных сияниях проблема усложняется из-за более сложной гео­ метрии. Рис и др. [157] провели вычисления для сияния балла III, наблюдавшегося на Аляске. Они нашли, что между 120 и 400 км электронная температура примерно в 3 раза выше температуры нейтрального газа, а ионный газ тоже был сильно нагрет. На больших высотах (800 км) электронная и ионная температуры были почти равны и составляли около 4500 К по сравнению с 1200 К для их модели нейтральной атмосферы. Скорость разогрева элек­ тронов составляла от 0,1 до 1 эВ/с на одну частицу, так что время установления теплового равновесия при темпе­ ратуре несколько тысяч градусов должно быть порядка секунды. Аналогичные результаты, но для несколько более низких температур были получены Столярски [189]. Как с очевидностью следует из данных ракетных экспериментов [20, 99, 124], электронная температура значительно выше электронной температуры основной массы атмосферы.

На основе своей модели Рис и др. [157] нашли, что воз­ буждение красных линий [ОІ] тепловыми электронами не­ значительно на малых высотах, увеличивается до 10% от полной скорости возбуждения на высоте 200 км и стано­ вится преобладающим выше 300 км (где излучение еще довольно значительно, потому что на более низких высотах существенна дезактивация). Аналогичные резуль­ таты были получены в [129], но вклад на высотах от 500

до 800 км составляет от 30 до 40%. Это уменьшение объяс­ няется большим вкладом процесса (5.14).

Разогретые тепловые электроны могут также играть важ­ ную роль в возбуждении инфракрасных атмосферных по­ лос Ог [125]. Потенциал возбуждения состояния а 1&g всего лишь 1,0 эВ.

5.1.4. Разрядные механизмы и разогрев электрическими полями. Электрические разряды время от времени привле­ кались в качестве важного источника возбуждения в поляр­ ных сияниях (см., например, [41]). Однако этот источник отвергался главным образом по следующей причине. Для данного тока или для данной напряженности электричес­ кого поля распределение интенсивности при разряде зна­ чительно меняется в зависимости от плотности атмосферы. При вертикальных разрядах в полярном сиянии ток дол­ жен быть приблизительно постоянным по высоте, а при гори­ зонтальных разрядах должна быть постоянной напряжен­ ность электрического поля (из-за высокой проводимости вдоль силовых линий магнитного поля). В спектре поляр­ ного сияния не наблюдается сильных высотных вариаций, которые можно было бы приписать таким механизмам.

С учетом вероятных напряженностей электрического поля

вполярном сиянии сравнение с вычислениями Чемберлена

[41]приводит к заключению, что разряды играют незначи­ тельную роль как в полярных сияниях, так и в свечении ночного неба. В то же время было показано, что электри­ ческое поле может значительно повысить ионную темпе­

ратуру [138, 140]. Согласно [129], разряды несущественны для возбуждения красных линий кислорода (потенциал возбуждения 2 эВ) вплоть до высоты 800 км.

Рис и Уолкер [156] выполнили детальные расчеты разо­ грева электронов и ионов электрическими полями. Их вычисления для двух моделей полярных сияний с макси­ мальными электронными концентрациями 2,6-106 и 1,1 х X 10® см-3 на высотах 150 и 220 км соответственно дают сле­ дующие результаты. При напряженности электрического поля 0,05 В/м электронная температура на 100—300 К выше, чем она была бы при отсутствии электрического поля, тогда как ионная температура поднимается на 1000— 2000 К. В электрическом поле напряженностью 0,01 В/м

разогрев электронов, так же как и протонов, несуществен. Поскольку значение 0,01 В/м более типично для полей в пределах области эмиссии, можно заключить, что разо­ грев электрическим полем обычно дает очень незначитель­ ный вклад в возбуждение. Это справедливо и для поля напряженностью 0,05 В/м, но тогда нельзя полностью пренебрегать вкладом поля в возбуждение красной линии кислорода на больших высотах. Исключение составляет

для того чтобы инфракрасные атмосферные полосы имели наблюдаемую интенсивность, требуется, чтобы эффектив­ ность расходования энергии первичных частиц на возбуж­ дение состояния Оз (а 1ДІ,) была не менее 10%, а в экстре­ мальных случаях даже 100%. Поэтому с физической точки зрения вполне возможно, что дополнительная требуемая энергия обеспечивается электрическим полем напряжен­ ностью от 0,05 до 0,1 В/м.

5.2. Дезактивация

Дезактивация возбужденных атомов и молекул в ре­ зультате столкновений с другими атмосферными состав­ ляющими имеет большое значение в верхней атмосфере. Перенос энергии от одного вида частиц к другим вызывает вариации интенсивности излучения.

Если вероятность дезактивации столкновениями равна единице для каждого газокинетического столкновения, то полная вероятность дезактивации равна частоте соударе­ ний. В верхней атмосфере частота соударений составляет примерно 105 с-1 на высоте 80 км, примерно 102 с-1 на вы­ соте 120 км и около 1 с-1 на высоте 300 км. Эти значения следует сравнить с коэффициентами вероятности спонтан­ ных переходов, которые составляют от ІО5 до ІО8 с-1 для обычных возбужденных состояний и от ІО-4 до 1 С 1 для рассматриваемых метастабильных состояний. Отсюда для разрешенных переходов гашение при дезактивации стол­ кновением' несущественно, тогда как для метастабильных уровней даже малая вероятность дезактивации при газо­ кинетическом соударении должна приниматься во внима-

Таблица 5.4

Времена жизни и коэффициенты скорости дезактивации для метастабильны х состояний в полярных сияниях

і . . ___„

по излучению атмосферы.)

158 ГЛАВА 5

ние. При дезактивации газокинетическим столкновением коэффициент скорости реакции (вероятность на одну га­

мов и молекул, особенно важных в полярных сияниях, линий излучения, времен жизни, вероятных партнеров для столкновений, ведущих к дезактивации, и коэффициентов скорости реакций дезактивации. Видно, что в нескольких случаях коэффициент скорости дезактивации приближает­ ся к газокинетическому. Приведенные значения являются средними взвешенными по экспериментальным данным и взяты главным образом из обзорной статьи Ципфа [212]. В последнем столбце дана приближенная высота в атмос­ фере /іІ, на которой вероятность столкновительной дезак­ тивации такая же, как и спонтанного излучения. Отсюда в некотором интервале высот ниже этой высоты излучение будет незначительно, поскольку гашение станет преобла­ дающим.

Вычисления были выполнены на основе стандартной атмосферы (CIRA 1965), модель 5 (средний уровень сол­ нечной активности) для полночи. Выше 150 км hL может значительно изменяться с солнечной активностью, а также до некоторой степени в течение суток. Например, в резуль­ тате этих вариаций hx для [01] Л.6300 Â меняется между экстремальными значениями 250 и 400 км.

Многие значения коэффициентов скорости дезактива­ ции следует считать предварительными. Расхождения меж­ ду значениями, приведенными в обзорной статье [104], данными табл. 5.4 и данными [212] часто велики. Совре­ менные данные частично расходятся, как видно из экспе­ риментальных данных, приведенных Ципфом [212]. Лабо­ раторные эксперименты по определению коэффициентов часто сомнительны, и поэтому, как указал Хантен [103], ракетные измерения атмосферных эмиссий могут обеспе­ чить ценное дополнение лабораторных данных. В верхней атмосфере природа создала идеальные условия для экспери­ ментов — низкое давление и отсутствие стенок. Поэтому нежелательные или неизвестные вторичные эффекты сво­ дятся к минимуму,

5.3. Интерпретация спектра

Не возникает сомнений в том, что главную роль в воз­ буждении спектра полярного сияния играют высокоэнер­ гичные частицы и вторичные электроны. Для большинства линий и систем полос имеет место удовлетворительное сог­ ласие между наблюдаемыми и теоретическими интенсив­ ностями, если учесть, что существуют неопределенности в данных об основных процессах и в наблюдаемых вели­ чинах. В данных табл. 5.1 видно разумное согласие между теорией и наблюдениями, за исключением запрещенных и поэтому сильно гасящихся переходов. Важным исключе­ нием является система полос N2 Лаймана—Бирджа —Хоп- филда. Другое исключение — инфракрасная атмосферная система полос О2 , которая может возбуждаться горячими тепловыми электронами или механизмами разряда

(пп. 5.1.3 и 5.1.4).

В этом разделе мы более подробно познакомимся с ин­ терпретацией распределения интенсивности, и в частности рассмотрим линии атомов и распределение интенсивности

впределах молекулярных систем полос.

5.3.1.Атомарные линии. Запрещенные линии [01] 7.5577 (7D — XS) и Л.6300 и 6364 (3Р — Ю) — наиболее часто обсуждаемые и наблюдаемые авроральные эмиссии. Из разд. 5.1 и 5.2 (а также разд. 5.4) с несомненностью сле­ дует, что возбуждение линии 75577 происходит главным образом в результате непосредственного возбуждения О или диссоциации и возбуждения О2 первичными частицами или вторичными электронами. Диссоциативная реком­ бинация может давать вклад на больших высотах — ве­

роятно, меньше 10% общей эмиссии, проинтегрированной по высоте. Может также иметь место перенос энергии от N2 (А 32 „+) в результате процесса (5.12). Роль дезактивации менее важна, за исключением малых высот.

Для мультиплета X,6300 и 6364 все обстоит иначе. Де­ зактивация столкновениями очень эффективна на высотах, где большинство других эмиссий являются сильнейшими (разд. 5.2). Поэтому эмиссия 7.6300 и 6364 локализована главным образом выше 200—300 км (п. 4.2.3). Хотя вто­ ричные электроны играют важную роль, перенос тепловой

160 ГЛАВА 5

энергии при столкновениях и возбуждение горячими теп­ ловыми электронами, вместе взятые, вероятно, дают зна­ чительно больший вклад (разд. 5.1).

Отношения интенсивностей некоторых других атомар­ ных линий кислорода не поддаются такому простому объяс­ нению (см. также [96]). Из табл. 4.4 следует, что отношение интенсивностей для переходов 3Р — 5S X 1356 и 3Р — 3S

же время (отношение интенсивностей переходов 55 — 5Я Х7773 и s3S — 3Р X 8446 составляет около 0,5—в 10 раз больше теоретического значения.

На первое отношение интенсивностей может оказывать сильное влияние резонансное рассеяние излучения XI304, так как переход 2р4 3Р — 3s 3S является резонансным, а также дезактивация метастабильного состояния 3s б5. Поскольку данные об интенсивностях получены из опи­ санных выше спутниковых измерений, наблюдаемая интен­ сивность излучения XI304 может быть раза в два выше, чем при отсутствии резонансного рассеяния [96]. Это объясняется тем, что направленное вниз излучение погло­ щается и в значительной степени переизлучается вверх. Измеряемое отношение /(X 1356)]/(Х 1304) также не очень точно, и в одном случае было найдено значение 0,2 [22]. Поскольку теоретические значения не являются очень точными, не исключено, что существенных расхождений с экспериментом не найдено. Метастабилы-юсть состояния 3s 55, вероятно, не влияет на отношение интенсивностей. Время жизни меньше 10~3 с [77], и поэтому лишь чрезвы­ чайно высокая эффективность гашения могла бы повлиять на отношение интенсивностей. Однако следует заметить, что измеренные интенсивности (табл. 4.4) указывают, что преобладающим процессом возбуждения мультиплета Х1356 является каскадный переход с уровня 3р 5Р через мультиплет X 7773. Из сравнения наблюдаемых и вычисленных интенсивностей (табл. 4.4) следует, что теория предсказы­ вает интенсивность мультиплета X 1304 не слишком плохо, тогда как интенсивности мультиплетов X 7773 и 8446 со­ держат ошибку в 2—5 раз в обе стороны, а интенсивность мультиплета X1356 меньше в 10 раз. Остается исследовать,

может ли прямая диссоциация с возбуждением молекулы СЬ объяснить наблюдения.

Особый интерес проявляется к линиям 0 + и N+: могут

ли они наряду с полосами N2 служить для измерения скоростей ионизации и диссоциации во время сияния? Надежно наблюдаемые переходы приведены в табл. 4.2. Возбуждение, вероятно, происходит через непосредствен­ ную ионизацию атомов, а также диссоциацию и ионизацию молекул.

Чемберлен [41] вычислил] что суммарные интенсивнос­ ти разрешенных линий N11 и ОІІ в сиянии балла III равны 50 и 10 килорэлей соответственно, а -запрещенных 1 и 5 килорэлей. Эти значения следует сравнить с интенсивно­ стью порядка 100 килорэлей для полос первой отрица­

тельной системы N2 и полной скоростью ионизации в вер­ тикальном столбе около 2 -1012 пар ионов/(см2-с). Из-за каскадных переходов не все фотоны излучаются в резуль­ тате процесса возбуждения, являющегося в то же время

N2 электронами и образования N2 указывает, что пример­ но одна пятая актов ионизации N2 ведет к появлению иони­ зованных атомов, а не ионизованных молекул [51]. Веро­ ятно, большинство этих ионизованных атомов образуется' в основных конфигурациях 2р- и 2р3для азота и кисло­ рода соответственно. Для этого достаточно энергии около 30 эВ и меньше, тогда как для возбуждения более высоких конфигураций требуется на 20 эВ больше.

Заметная доля ионов, вероятно, остается в возбужденных метастабильных состояниях конфигураций 2р2 и 2р3, но дезактивация столкновениями, по-видимому, ведет к

0 +, интенсивность и высотные вариации для мультиплетов

[ОШХ7319, 7330 (Ю — 2Р) и 7.3729 (4S — Ю). Для муль-

типлета (2D — ~Р) согласие с наблюдениями удовлетвори­ тельное, а для мультиплета (45 — 2D) из вычислений еле-