Полярные сияния

Спектры полярных сияний

Изучая спектры полярных сияний, мы получаем информацию о верхней атмосфере и о вторгающихся потоках заряженных частиц. Попытаемся схематически представить энергетические уровни и переходы электронов из одного уровня на другой, при которых излучаются кванты света, на примере самого простого атома — атома водорода (рис. 53).

Как известно, атом водорода состоит всего из двух частиц: протона, который является ядром, и вращающегося вокруг него одного электрона. Нейтрона в ядре водорода нет. Электрон, который вращается вокруг ядра, может иметь несколько значений энергий. Если на рис. 53 по вертикальной оси отсчитать энергию, то разрешенные энергетические уровни можно изобразить отрезками прямых (1—5).

Как было сказано выше, электрон в атоме всегда стремится уменьшить свою собственную энергию — перейти на более низкий энергетический уровень (на рис. это показано стрелками). Каждый такой переход сопровождается излучением света с определенной частотой (т. е. определенной энергией). Переходы электрона на один и тот же уровень с разных уровней с большей энергией составляют серию излучаемых квантов; частота излучаемого света в данной серии может быть рассчитана по довольно простым формулам. Эти серии имеют свои названия (в честь их открывателей). Так, первая серия в атоме водорода называется серией Лаймана и обозначается буквой L с индексами α, β, γ, вторая — серией Бальмера — буквой Н с аналогичными индексами и т. д.

Рис. 53. Схема энергетических уровней атомов водорода

Показанная на рис. 53 схема энергетических уровней очень упрощена даже для случая одного орбитального электрона. Если атом поместить в сильное магнитное поле, то энергетические уровни расщепляются. Это можно определить по тому, какой частоты свет, излучаемый атомом. Если он излучен на какой-либо определенной частоте, то в сильном магнитном поле появится излучение па частотах, которые меньше и больше ее.

Энергетические уровни атомных электронов обладают еще одним свойством: вероятность перехода электронов на разные уровни различна. Некоторые уровни, соответствующие таким значениям энергии, которые электроны принимают очень неохотно, с малой вероятностью, называются запрещенными.

Электроны, как уже говорилось, стремятся приблизиться по-возможности ближе к ядру, но при этом им приходится отдавать лишнюю энергию в виде излучения. В обратной ситуации электрон поглощает квант (порцию) света. Тогда его энергия увеличивается, и он вынужден переселиться на более удаленную от ядра орбиту. Атом с таким электроном называется возбужденным. В этом состоянии атом долго находиться не может: как правило, через 1*10^-8 с этот электрон излучает лишнюю порцию света, возвращаясь при этом в свое основное, нормальное состояние, т. е. на прежний свой энергетический уровень.

Дело обстоит иначе, когда электрон находится на запрещенном энергетическом уровне. Энергетический уровень, с которого запрещены переходы на более низкие, называется метастабильным, или почти стабильным. Переход электрона, находящегося на этом уровне, на более низкие маловероятен. Но этот электрон может перейти на более высокий энергетический уровень, если поглотит соответствующий квант света. Возможна ситуация, когда электрон после этого переходит на более удаленный уровень (с большой энергией), который является метастабильным. Таким путем электрон оказывается как бы «загнанным» на уровень, уйти из которого ему очень сложно: вероятность перехода из метастабильного уровня на более низкие энергетические уровни очень мала (т. е. для этого необходимо весьма продолжительное время).

Основным объектом при изучении полярных сияний является излучаемый при этом свет (его интенсивность, частота). Все излучение, включающее различные цвета (т. е. различные частоты), принято называть спектром излучения. Он может быть непрерывным, т. е. иметь все частоты. В видимом участке спектра это выражается в плавном переходе одного цвета в другой. Спектр излучений может состоять из излучения с определенными частотами. Если его зарегистрировать спектроскопом, то излучению определенной частоты будет соответствовать одна линия. Поэтому такой спектр назвали линейчатым. Он получается при излучении газов, которые состоят из атомов.

Если иметь дело с излучением не атомов, а молекул, то картина энергетических уровней сильно усложняется. В этом случае излучается свет не с определенными дискретными частотами, а в определенных диапазонах (полосах), где излучение непрерывное. Такой спектр излучения называется полосчатым. С частотой связано и количество энергии, содержащееся в данном излучении. Чем больше частота, тем больше энергия кванта света. Частота, умноженная на постоянную величину (постоянную Планка), дает величину энергии данного кванта излучения.

Всякое излучение характеризуется или частотой или длиной волны. Видимый и невидимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны имеют одну и ту же физическую природу. Все это — электромагнитные волны, которые отличаются друг от друга только частотой или длиной волны. Все эти излучения представляют непрерывный спектр электромагнитных колебаний (рис. 54). Если рассматривать весь спектр электромагнитного излучения, то длины волн будут изменяться от сотен километров до миллионных долей миллиметра. Отметим, что человеческий глаз способен воспринимать только незначительную часть всего спектра электромагнитного излучения, которое пронизывает все окружающее нас пространство. Это диапазон с длинами волн от 7600 Å (темно-красный цвет) до 3800 Å (фиолетовый цвет).

Как известно, по частоте (или длине волны) излучения, которое порождает данный атом, можно определить, какому химическому элементу он принадлежит. Это значит, что, находясь на поверхности Земли и регистрируя излучение атмосферных газов на высотах в сотни километров, можно выяснить химический состав этих газов. Такой способ определения химического состава называется спектральным анализом, поскольку в данном способе анализируется спектр излучения данного вещества.

Методом спектрального анализа был определен не только химический состав верхней атмосферы (который до запуска ракет и спутников не мог быть исследован прямыми методами), но и химический состав фотосферы Солнца. Основные результаты исследования полярных сияний получены, как уже отмечалось, путем анализа спектра излучения атмосферных газов.

Рис. 54. Спектр электромагнитных излучений

На верхней границе земной атмосферы взаимодействие энергичного электрона с атомами атмосферного газа мало эффективно. Во-первых, электрон движется очень быстро и не успевает взаимодействовать с атомами. Во-вторых, плотность атмосферы там очень мала и вероятность того, что электрон встретит на своем пути атом, также невелика. По мере углубления энергичного электрона в атмосферу ситуация постоянно меняется: плотность атмосферы быстро увеличивается, а энергия электрона постепенно уменьшается. Электрон при каждом своем столкновении с нейтральным атомом выбивает из него по одному орбитальному электрону. Нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион. Выбитый электрон уходит из атома и становится свободным. Если этот электрон выбит не из внешнего уровня, то его место займет более внешний электрон. Мы уже говорили, что этому электрону надо отдать излишек энергии в виде излучения кванта света. На один акт ионизации (отрыв одного электрона из атома) энергичный электрон тратит строго определенную долю энергии и продолжает лететь дальше, пока не встретит очередной атом. Так, один энергичный электрон па своем пути способен ионизовать десятки атомов атмосферного газа. Чаще всего происходит отрыв одного электрона из атома. Если из атома оторваны два орбитальных электрона, то этот атом дважды ионизован. В атмосфере почти все ионы являются однократно ионизованными атомами.

Когда энергичный электрон взаимодействует с атомом, то происходит не только ионизация атома, но и его возбуждение. Как говорилось выше, атом не может долго находиться в возбужденном состоянии. Орбитальный электрон из возбужденного уровня переходит па свой обычный энергетический уровень, излучая при этом квант света. Это излучение и есть полярное сияние. Таким образом, все основные мощные эмиссии (излучения) полярных сияний возникают в основном в результате ударного возбуждения заряженными энергичными частицами (электронами и протонами). Как только заряженная частица сталкивается с атомом атмосферы, он сразу переходит в возбужденное состояние и испускает квант света. Тогда мы можем с поверхности Земли наблюдать полярные сияния.

Насколько эффективно энергичные заряженные частицы воздействуют на атомы и молекулы атмосферы зависит от их скорости. Если скорости электронов, протонов и ионов равны, то и эффективность их воздействия одинаковая. Но ионы и протоны в тысячи раз тяжелее электрона. Поэтому при равных скоростях энергии протона и иона в тысячи раз больше энергии электрона.

Хорошо установлено, что быстрые электроны образуют в воздухе около трех пар ионов на каждые 100 эВ первоначальной энергии. Таким образом, электрон с энергией 1 кэВ при полном израсходовании этой энергии образует около 30 пар ионов.

Ионизация атомов и молекул начинается тогда, когда энергия электрона превышает энергию ионизации атома или молекулы. Ионы действуют так же, если их скорости равны скорости электронов. Ионизация происходит наиболее эффективно, если скорость электрона в несколько раз больше, чем та минимальная скорость, при которой начинается ионизация. Это значит, что вначале, на верхней границе атмосферы, где энергия электронного пучка еще большая (и скорость тоже), электрон производит ионизацию атомов неэффективно. И только когда его энергия уменьшается (фактически почти в конце своего пути) электрон наиболее эффективно взаимодействует с атомами, вызывая их ионизацию (рис. 55). Собственно, именно электроны этих энергий интересны для рассматриваемой здесь проблемы полярных сияний; они проникают на те высоты атмосферы, где наблюдаются сияния.

Процесс ионизации происходит так, что первичный электрон выбивает из атома орбитальный электрон (назовем его вторичным), который получает от первичного электрона достаточную энергию, чтобы самому быть способным ионизовать другие атомы. Процесс носит характер каскадного ливня. При подсчете общей ионизации (числа пар ионов) получается, что большая часть ионов (70%) создается именно вторичными электронами. Каждый вторичный электрон уносит энергию около 90 эВ. Эта энергия может быть израсходована на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Возбуждение нейтральных частиц вызывается в значительной степени вторичными электронами.

Когда электрон израсходует свою энергию и ее недостаточно, для того чтобы ионизовать атомы, он способен остатки своей энергии передать атому или молекуле путем их возбуждения. Затем эти атомы или молекулы, переходя из возбужденного состояния в основное, излучают эту энергию в виде света различной длины волны (т. е. различного цвета).

Возбужденные состояния молекул бывают трех видов. Во-первых, они могут быть связаны с конфигурацией электронов в молекуле. Это так называемое электронное возбуждение. Во-вторых, — с колебаниями атомов относительно друг друга. Это колебательное возбуждение. В-третьих, — с вращением атомов относительно друг друга. Это вращательное возбуждение. Энергия вращательного возбуждения незначительна по сравнению с энергиями электронного и колебательного возбуждений.

Рис. 55. Глубина проникновения в атмосферу электронов (I) и протонов (II) различных энергий

Свечение атомов и молекул, которое представляет собой полярные сияния, происходит не только в результате действия энергичных электронов, при котором возникает прямое возбуждение первичными или вторичными электронами. Возбуждение спектров полярных сияний имеет место также при тепловых соударениях, т. е. при соударениях атомов и молекул с частицами, имеющими тепловые скорости. Если у этих частиц не хватает энергии, чтобы произвести ионизацию, то они возбуждают атомы и молекулы. При разогреве ионосферной плазмы электроны приобретают большие скорости, чем скорости тепловых электронов. Поэтому возбудить атомы и молекулы могут и электроны разогретой ионосферной плазмы. Наконец, возбуждение может вызываться и механизмами электрического разряда и вследствие разогрева электрическими полями.

Спектр полярного сияния состоит из многочисленных линий излучения и полос, которые принадлежат атомам и молекулам кислорода и азота, а также их ионам. В спектрах полярных сияний были обнаружены и все запрещенные атомарные линии излучения атомарного кислорода [OI], [OII] и азота [NI], [NII], которые находятся в видимой области спектра. Эти излучения возбуждаются электронами с энергиями около 10 кэВ. Кроме этих линий, в спектрах полярных сияний часто присутствуют также три первые линии серии Бальмера атомов водорода: Н_α, H_β и H_γ. Наибольшую интенсивность имеет излучение в линии на длине волны 6563 Å. На основании анализа спектров сияний на ряде ИСЗ было установлено, что водородные сияния вызываются протонами, средняя энергия которых равна 5—30 кэВ.

Водородные спектральные линии существенно расширены. Если вести наблюдения в направлении зенита, то они оказываются несколько смещенными в область более коротких волн. Это смещение происходит за счет того, что излучающие частицы (водород) движутся в направлении к наблюдателю. Это смещение вызвано эффектом Допплера.

Тот факт, что спектральные линии водорода оказались сдвинутыми в сторону ультрафиолетового конца спектра, свидетельствует о том, что водород двигался из космоса в сторону наблюдателя.

Самая яркая линия в спектре полярного сияния зеленая, длина волны ее равна 5577 Å. Эта линия принадлежит нейтральным атомам кислорода. Излучение в зеленой линии придает сияниям зеленоватую окраску. Напомним, что наибольшая чувствительность человеческого глаза приходится на длину волны 5550 Å (очень близко к линии 5577 Å). На длине волны 6300 Å чувствительность глаза уменьшается в 10 раз по сравнению с чувствительностью на длине волны 5550 Å.

Большую интенсивность в спектре сияний имеют полосы, которые излучает молекулярный азот. Имеется несколько систем таких полос.

В результате ионизации

некоторые молекулы азота образуются в возбужденном состоянии B²Z, которое является верхним уровнем для полос первой отрицательной системы. Если это так, то в некоторых случаях будет излучаться фотон в сильных полосах 3914 и 4278 Å. Наиболее вероятное значение для отношения между полной скоростью ионизации в атмосфере, включая ионизацию кислорода, и числом фотонов λ3914 Å составляет около 25. Для полос λ4278 и 4709 Å соответствующие отношения будут около 75 и 300, принимая отношение 1,0 : 0,34 : 0,075 соответственно для интенсивностей полос λ3914, 4278 и 4709 Å. Эти отношения очень слабо зависят от энергии первичных частиц: отношения между эффективными сечениями рассматриваемых процессов лишь слегка меняются с энергией электронов.

Отрицательная система полос молекулярного азота расположена в фиолетовой и синей частях спектра. Излучение производят положительные ионы молекулярного азота (N₂⁺). Самые сильные полосы этой системы имеют длины волн 3914, 4278 и 4708 Å.

Первая положительная система полос излучения молекулярного азота наблюдается в красной и инфракрасной частях спектра. Главные полосы этой системы имеют длины волн 5991 и 5867 Å. Вторая положительная система полос интенсивнее, чем первая. Она преобладает в голубой и ультрафиолетовой частях спектра с длинами волн 3997 и 4059 Å. Обе положительные системы излучаются нейтральными молекулами азота (N₂).

Название «положительная», как и «отрицательная», чисто условное: первые наблюдаются в разрядной трубке вблизи положительного электрода, отрицательная система полос — вблизи отрицательного.

Ионы молекулярного кислорода также излучают в зеленой и красной частях спектра (полосы отрицательной системы) с длинами волн 5577 и 6300 Å.

Для изучения процессов возбуждения спектров полярного сияния важно знать детальное распределение интенсивности в каждой молекулярной системе полос.

Рэлей, исследуя зеленую линию спектра полярного сияния, определил измерительную единицу для количественного выражения этих измерений. Позднее, в 1956 г., эта единица интенсивности свечения атмосферы была названа Рэлеем. Интенсивность свечения в один Рэлей (R) соответствует излучению миллиона квантов, которые испускаются в одну секунду в столбе атмосферы сечением в 1 см². Единица в 1000 раз большая названа килорэлей (kR).

На геомагнитной широте около 65° в 80% случаев наблюдаются сияния с интенсивностью кислородной линии 5577 Å от 0,75 до 11,5 kR (только 0,4% времени интенсивность превосходит 100 kR). Интенсивность красной кислородной линии 6300 Å составляет от 5 до 100 kR. Свечение азотной линии 3914 Å с интенсивностью по шкале яркости более 3 баллов (когда яркость сравнима с яркостью кучевых облаков, освещенных луной) соответствует 100 kR.

Интенсивность сияний (а также их интегральная яркость) может изменяться примерно в 10 тыс. раз. Все сияния разделены на 4 балла согласно международной шкале яркости. Интенсивность по мере увеличения балла на единицу увеличивается в 10 раз. Нулевой балл, введенный наряду с 4 баллами, означает, что полярные сияния визуально не фиксируются и могут быть обнаружены только инструментально. Интенсивность этого сияния составляет 0,1 kR.

Представляет большой научный интерес отношение интенсивностей излучения отдельных линий, особенно зеленой линии кислорода 5577 Å, 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 Å.

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 Å) 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 Å нет. По этим интенсивностям можно рассчитать количество электронов, образованных пучком вторгающихся электронов. В частности, по этой причине излучение в линиях 3914 и 4278 Å измерялось очень часто и поэтому известно весьма подробно. Важно отметить, что распределения по высоте интенсивностей излучения линии кислорода 5577 Å 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 Å) и ³Р—'D (6300 и 6364 Å) и атомарного азота ²D—²Р (10 395 и 10 404 Å) и ⁴S—²Р (3466 Å). Эти линии являются запрещенными. Они представляют интерес потому, что некоторые из них (особенно 5577, 6300 и 6364 Å) 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 Å, 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.