ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.10.2024
Просмотров: 64
Скачиваний: 0
Космические
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,
10 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ |
|||
R, г — радиус, |
пространственная |
координата, |
||
о — эффективное сечение (атомное или молекуляр |
||||
t |
ное), |
|
|
|
— время, |
|
|
|
|
UT — всемирное время, |
|
|||
г — время жизни, |
|
|
||
0 — питч-угол, |
|
скаляр), |
||
V, о |
— скорость частицы (вектор, |
|||
ѵ', ѵ" — колебательное |
квантовое число, |
|||
W — кинетическая |
энергия, |
пробега энергичной |
||
1 — масса |
воздуха на длине |
|||
частицы при нормальных условиях,
С— число частиц в воздухе на длине пробега энер гичной частицы.
Глава 1
Распределение и причины появления полярных сияний,
Краткое введение ,
1.1.Формы полярных сияний
1.1.1.Геометрия. Читателю, вероятно, хорошо извест но, что полярные сияния появляются в ночные часы в северном и южном полушариях в виде слабого свечения. Чаще Есего они наблюдаются в двух областях вокруг гео магнитных полюсов, так называемых зонах полярных сияний. Однако полярные сияния бывают видны более или
менее часто в полярных шапках, а в некоторых случаях к экватору от зон полярных сияний. Появление сияний связано с возмущениями в геомагнитном поле, причем сия ния смещаются к экватору с усилением магнитной возму щенности.
При наблюдениях типичного полярного сияния удив ляет разнообразие форм сияний и различие ситуаций. Од нако при детальном анализе каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накла дывающихся друг на друга элементарных форм полярных сияний, меняющихся в пространстве и во времени. Для практических целей можно ограничиться четырьмя таки ми элементарными формами или структурами: 1) спокой ные однородные дуги или полосы, протянувшиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии, 2) лучи полярных сияний, длина которых может существенно меняться, 3) диффузные и неправильные пятна, 4) большие однородные поверхности. Их интенсивность может менять ся на несколько порядков величины. Элементарные фор мы полярных сияний (1)—(3) показаны на рис. 1.1—1.6.
Спокойная однородная дуга обычно вытянута примерно вдоль‘магнитной параллели. Исключением являются цен тральные области полярных шапок, где дуги ориентированы