Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

Гэдсден [72, 73] предложил подобный механизм, который может давать вклад в возбуждение полос второй положи­ тельной системы N2 и красных линий [OlJ.

Возможны два процесса, довольно близкие к энерге­ тическому резонансу [137]:

0 + (Ю и л и 2Р ) + N 2 ( X ‘Е + ) - > О (зР) + Щ (А 2П ) . ( 5 . 1 0 )

В последней реакции имеет место почти точный энергети­ ческий резонанс с 0 +(2Д) и № +(А 2П, ѵ'= 1).

Были предложены различные процессы с дезактивацией метастабильных состояний для переноса энергии от частиц одного сорта к другим. Чтобы подобные процессы играли основную роль, необходимо достаточное количество энер­ гии; важны также точный энергетический резонанс и сохра­ нение спина.

Ситон [166] указал, что в процессе

имеет место почти точный энергетический резонанс. Пос­ кольку колебательная энергия 0 2 расходуется при соуда­ рениях с другими частицами, обратный процесс несущест­ вен. Уоллес и Чемберлен [201], изучая распределение интенсивности для различных атмосферных полос 0 2, заклю­ чили, что реакция (5.11) наиболее важна для их возбуж­ дения.

Мейер и др. [126] определили коэффициент скорости 3- ІО-12 см3/с для реакции

N2(Л 3S*) + О (зР) N2 (X Щ) + О (‘S). (5.12)

Это привело бы к заметному, но не преобладающему вкладу на больших высотах.

Реакция

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-