Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

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-

162 ГЛАВА 5

дует слишком низкая интенсивность. Однако, как указал Жерар [80], имеется сильная зависимость от потока мяг­ ких первичных частиц, поскольку эмиссия происходит главным образом на больших высотах.

Наблюдения и их интерпретация для линии [Nil] Х6584 (3Рз— Ю) опубликованы ХарангомиПеттерсеном [89]

писана протонным столкновениям, поскольку она корре­ лирует с интенсивностью Hß [5]. Возбуждение некоторых других мультиплетов N11 изучалось в лаборатории [62].

Во время полярного сияния концентрация атомов азота и кислорода будет увеличиваться вследствие диссоциатив­ ной рекомбинации, которая следует за ионизацией N2 и О2 . Браун [36] рассмотрел рост концентрации атомарного азота во время сияния и нашел, что при типичных концен­ трациях авроральных ионов концентрация азота быстро поднимается до уровня, превышающего дневной. Однако он установил, что скорость возбуждения атомов азота в результате столкновений с электронами даже при повы­ шенной концентрации N меньше, чем в результате диссо­ циативной рекомбинации ионизированных молекул.Маэда и Эйкин [117] изучили диссоциацию О2 в результате стол­ кновений с авроральными частицами и пришли к выводу, что этот процесс может быть важным в спокойных формах сия­ ний с жестким энергетическим спектром электронов. Та­ ким образом, диссоциация обычно не изменяет состав ат­ мосферы в такой степени, чтобы это было существенно для спектра полярного сияния.

5.3.2. Распределение интенсивности в системах моле­ кулярных полос. Распределение интенсивности между раз­ личными колебательными полосами в системе молекуляр­ ных эмиссионных полос дается формулами (см., например, [131])