книги из ГПНТБ / Омхольт, А. Полярные сияния

80 ГЛАВА 3

гий выше 10 кэВ отношение между полной скоростью иони­ зации и интенсивностью эмиссии X 3914 около 30, что близко к подобному отношению для электронов (разд. 2.2). Для более низких энергий это отношение быстро растет с уменьшением энергии. При 3 кэВ отношение близко к ІО3, а при 1 кэВ — к 2 -102.

Однако вторгающиеся протоны будут подвергаться ряду актов нейтрализации и последующей ионизации, в результате чего, если их энергия ниже 30 кэВ, они будут находиться большую часть времени, прежде чем замедлят­ ся, в виде атомов водорода (п. 3.2.2). Следовательно, ре­ акции

могут играть столь же важную роль, как (3.18) и (3.19). Было измерено также эффективное сечение возбуждения полос первой отрицательной системы Na+ при столкнове­ нии с атомами водорода [21, 48]. В работе [48] приведены измерения эффективного сечения ионизации при соуда­

Втабл. 3.2 даны оценки интенсивности X 3914 на протон

иотношения между интенсивностями эмиссий X 3914 и водорода. Для получения этих значений были использо­ ваны интенсивности На и Hß, приведенные в табл. 3.1, значение 38 для соотношения между полной скоростью ио­ низации воздуха (включая кислород) и интенсивностью эмиссии X 3914 (за исключением значения при 3 кэВ, для

которого использовалось значение 120) и отношения 1,00; 0,34 и 0,075 ка-к приемлемые оценки для относитель­ ных интенсивностей (в фотонах) эмиссий полос X 3914, 4278 и 4709 соответственно (см. [74]). Кроме того, предпо­ лагалось, что в среднем протон теряет около 36 эВ на обра­ зование пары ионов независимо от первоначальной энер­ гии (ср. [22]). Данные табл. 3.2 следует рассматривать как довольно приближенные. Кроме того, следует надле­ жащим образом объяснить тот факт, что вторичные элек­

ловиях, через которую проходит поток частиц. Величину d^/dv можно получить из лабораторных данных по бомбар­ дировке воздуха протонами.

Каждый излученный фотон подвергается допплеровско­ му смещению, соответствующему компоненте скорости частицы V в направлении излучения. Здесь мы определим результирующее допплеровское уширение линий водорода в функции первоначального энергетического распределе­ ния протонов и их распределения по питч-углам.

Рассмотрим моноэнергетический поток падающих про­ тонов с начальной скоростью ѵ0 и распределением по питчуглам 11 (Ѳ) (пропорциональным числу протонов в единицу времени, на единицу поперечного сечения через поверхность под прямым углом к вектору скорости в 1 ср и нормирован­ ным таким образом, что

Т./2

j1 т] (Ѳ) cos Ѳ2тсsin ѲdB — 1). 6

Далее, мы пренебрегаем рассеянием, так что питч-угол постоянен во всей атмосфере для данной частицы.

Интенсивность излучения (в фотонах) для атомов водо­ рода, движущихся со скоростью V в интервале dv, имею­ щих питч-угол Ѳ и содержащихся в телесном угле dQ на одну частицу в пучке дается уравнением

Пусть p (vr, vy, vz) — плотность фотонов, которые излу­ чены протонами, движущимися со скоростью V, описанная в пространстве скоростей излучающих частиц. В прямоу­ гольной системе координат с осью z вдоль магнитного поля будем иметь

Используя уравнение (3.23), получаем

Фотоны излучаются атомами, имеющими различные скорости, так как протон-водородный пучок уменьшает скорость по мере проникновения в атмосферу. Излучающие

Подобным образом для наблюдений в направлениях перпендикулярно магнитному полю допплеровское уширение можно записать в виде

Если вместо моноэнергетического пучка протонов рас­ смотреть поток протонов с относительным распределением начальных скоростей, даваемым функцией f(v), то функцию F(v) следует заменить интегралом по начальным скоростям:

В этом случае безоговорочно принимается, что распре­ деление по питч-углам не зависит от начальной энергии, т. е. оно одно и то же для всех вторгающихся протонов.

Подставляя в уравнения (3.26) и (3.27) S't (ѵ) вместо 5Г(и), можно вычислить синтетические профили в магнит­ ных зените и горизонте по данным угловому и энергетиче­ скому распределениям вторгающихся протонов. Уравнения были обобщены для произвольно наблюдаемых углов в работе [77] (ср. также [32]). На рис. 3.3 показаны различ­ ные синтетические профили линии На [35].

Для оценки в первом приближении распределения по питч-углам пригодны средние допплеровские скорости в направлениях в магнитный зенит и на магнитный горизонт [62] (ср. также [17, 32]). Эти величины определяются вы­ ражениями

(3.29)

(3.30)

В первом приближении для оценки распределения по питч-углам удобно принять аналитическую форму т](Ѳ).

хотя без строгого доказательства.

Принимая эту формулу для распределения по питч-

рого порядка ѵ\ и ѵ2, чтобы получить данные о рас­ пределении по питч-углам, но в этом случае крылья про­ филей, которые наблюдаются недостаточно точно, играют существенную роль. Следовательно, моменты более высо­ ких порядков, полученные из наблюдений, довольно неоп­ ределенны. Как будет видно из дальнейшего, предположе­ ние, что распределение по питч-углам не зависит от энер­ гий вторгающихся протонов, вероятно, неправильно. Тем

не менее отношение v jv z так или иначе указывает, что протоны распределены либо изотропно (п — 0), либо име­

В этом случае в магнитном зените профиль должен быть идентичен половине профиля в магнитном горизонте, так как поток вторгающихся протонов распределен изотропно по всем направлениям вниз. Однако изотропный поток не

реален, поскольку тогда требовалось бы, чтобы интенсив­ ность г|(Ѳ) была бесконечной при Ѳ = гс/2 [см. формулу (3.31)]. Поэтому нужно ввести резкий обрыв или как-то модифицировать распределение для углов, близких к 0 = тс/2. Наиболее вероятное изотропное распределение

В предыдущих разделах рассматривалось излучение, про­ интегрированное по высоте. Очевидно, что излучение имеет некоторое распределение по высоте, которое можно вычис­ лить при условии, что распределение по питч-углам, рас­

на единицу массы воздуха, через которую проходят час­ тицы. Такие вычисления производились в течение ряда лет, как можно надеяться, с увеличивающейся точностью (см. [17, 35, 60]). Интегрирование довольно просто до тех пор, пока распределения по энергии и питч-углам не зависят друг от друга. Подробно это изложено в работах [17, 32]. Высотное распределение, вычисленное для экспоненци­ альных энергетических спектров и изотропного распре­ деления по питч-углам, оказалось сходным с высотными

максимум свечения приходится на диапазон высот пример­ но от 130 до 100 км, и вертикальная полуширина состав­ ляет от 60 до 20 км.

Высотное распределение водородных эмиссий пред­ ставляет несколько меньший интерес, чем полная интен­ сивность и допплеровские профили, поскольку его довольно трудно измерять с земли. В большинстве случаев водород­ ная эмиссия простирается на несколько сотен километров в направлении север—юг и на тысячи километров в на­ правлении геомагнитной параллели. Следовательно, во всех случаях необходимо использовать тщательно разра­ ботанный метод параллактических измерений при помощи сканирующих фотометров для определения высотного рас­ пределения с достаточно высокой точностью. Поэтому от­ дельные измерения из одного пункта дают очень сильно различающиеся результаты [32].

Ракетные методы могли бы решить проблему высотного распределения. Сравнение высотного распределения излу­ чения с прямыми измерениями протонов могло бы дать информацию о точности функции излучения как вычислен­ ной теоретически, так и полученной на основании лабора­ торных данных. Миллер и Шеферд выполнили измерения высотного распределения Hß в водородной дуге при одном запуске [50, 51]. Максимум свечения находился на высоте 116 км, нижняя и верхняя точки высотного профиля соот­ ветствовали ПО и 123 км. Сопоставляя высотное распре­ деление свечения с прямыми измерениями протонов и используя принятые эффективные сечения щля возбуждения уровня, излучающего Hß, они обнаружили серьезные расхождения. Другие аналогичные измерения [83] выя­ вили такие же расхождения. Однако преждевременно, повидимому, делать выводы об эффективных сечениях на основе этих единичных наблюдений. Очевидно, эта проб­ лема еще требует значительного внимания.

3.3.Наблюдения линий водорода

3.3.1.Методы. Отношение интенсивностей линий во­ дорода и полос первой отрицательной системы N2 + позво­ ляет сделать оценку относительного притока протонов и электронов, тогда как абсолютная их интенсивность и

допплеровские профили дают информацию об абсолютных величинах потоков протонов и их распределении по энер­ гиям и питч-углам. Морфологию, а также некоторые свой­ ства протонов можно, следовательно, изучать посредством наблюдений линий водорода.

Первые наблюдения линий водорода выполнялись при помощи спектрографов, которые требовали длительных экспозиций и, следовательно, не давали необходимых вре­ менного и пространственного разрешений. Фотоэлектри­ ческие методы позволили производить значительно более

ценные наблюдения.

Спектрофотометры, сканирующие в ограниченной об­ ласти спектра, значительно превосходят спектрографы и широко используются для изучения допплеровского про­ филя линий водорода. Первый такой прибор был разра­ ботан в 1955 г. [45] и с тех пор благодаря усовершенство­

ваниям его разрешающая способность сильно увеличилась. Однако низкая светосила, свойственная щелевым спектро­ графам, сильно ограничивает их применение.

Фотометры с узкополосными интерференционными филь­ трами используются с 1957 г. [61]. Усовершенствование очень узкополосных фильтров позволило сканировать доп­ плеровские профили путем качания фильтра. Этот метод представляется чрезвычайно мощным [36]. Можно изго­ товлять фильтры с непрерывным изменением длины волны полосы пропускания поперек или по краю большого круг­ лого фильтра. Этот метод’ выглядит особенно многообе­ щающим [32].

Применялись также спектрометры Фабри—Перо [85], но их чувствительность низка по сравнению с фильтрами. По-видимому, наиболее целесообразный вариант прибора описан в работе [73]. Он позволяет одновременно измерять несколько точек профиля линии.

Фрэнсис [38] получил многообещающие результаты по морфологии сияний с узкополосным фильтром и усилителем изображения.

3.3.2.Отношение интенсивностей линий водорода и

полос первой отрицательной системы N*. Как очевидно

из предыдущих разделов, отношение интенсивностей линий водорода и полос первой отрицательной системы N* мож­

но использовать для определения относительного вклада первичных протонов и электронов в возбуждение полярных сияний. Удобнее всего сравнить линию Hß 7 4861 с поло­ сой (0—2) 74709, поскольку они имеют близкие длины волн, что упрощает проблему оптической калибровки. Однако полосы (0—1) 74278 и (0—0) 73914 интенсивнее и, следовательно, могут измеряться с большей абсолютной точностью.

Полный обзор ранних измерений отношения интенсив­ ностей дан в работе [32]. Разные авторы пришли к весьма различным результатам. Вероятно, это обусловлено раз­ личающейся морфологией протонных и электронных поляр­ ных сияний и различиями в месте и времени наблюдения и аппаратуре. В частности, прежние наблюдения, скажем до 1960 г., производились при помощи аппаратуры, кото­ рая в настоящее время считается устаревшей.