Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

199.Vallance Jones А., Hunten D. М., Canadian J. Phys., 38, 458 (1960).

200.Vegard L., Koifle G., Omliolt A., Larsen S., Geophys. Publiskajoner, 19, № 3 (1955).

201.Wallace L., Chamberlain J. W., Planet. Space Sei., 2, 60 (1959).

202.Wallace L., Hunten D. Л4., j . Geophys. Res., 73, 4813 (1968).

203.Wallace L., McElroy M. B., Planet. Space Sei., 14, 677 (1966).

204.Wark D. Q., Mercer D. M., Appl. Opt., 4, 839 (1965).

205. Watson C. E., Dulock V. А., Stolarski R. S., Croen A. E. S.,

J.Geophys. Res., 72, 3961 (1967).

206.Williams S. E., Proc. Phys. Soc., Ser. A, 47, 420 (1935).

207.Winters H. F., J. Chem. Phys., 44, 1472 (1966).

117(1965).

211.Zipf E. C., Bull. Amer. Phys. Soc., 12, 225 (1967).

212.Zipf E. C., Canadian J. Chem., 47, 1863 (1969).

Глава 6

Определение температуры по эмиссиям-полярных сияний

6.1. Введение

Определение температур в атмосфере по спектрам поляр­ ных сияний основано на измерениях: а) теплового доппле­ ровского уширения эмиссионных линий и б) распределе­ ния молекул по вращательным энергиям, влияющего на распределение интенсивности внутри молекулярной эмис­ сионной полосы. Оба метода молчалибо предполагают, что возбужденные атомы и молекулы, испускающие излу­ чение, находятся в тепловом равновесии с окружающей атмосферой или что существует однозначная связь между энергиями возбужденных атомов и молекул и температурой атмосферы.

Метод допплеровского профиля основан на измерении атомарных линий, в частности запрещенных линий кис­ лорода Х5577, 6300 и 6364 Â- Эти линии используются по двум причинам. Во-первых, они являются сильными в наиболее доступном интервале длин волн. Во-вторых, воз­ бужденные метастабильные состояния атомарного кислорода имеют времена жизни достаточно длительные, чтобы восста­ новилось тепловое равновесие с окружающей атмосферой, нарушенное в процессе возбуждения. Кроме того, самопоглощение в этих линиях пренебрежимо мало.

Метод определения вращательной температуры приме­ нялся главным образом к полосам первой отрицательной

системы азота N2 + В 2Su — X 2Eg. Эти полосы наиболее сильны в фиолетовой части спектра и легко измеряются. Их вращательная структура такова, что распределение энер­ гии среди вращательных линий можно измерить довольно точно. Как правило, при возбуждении N2 электронным уда­ ром распределение вращательной энергии возбужденных

его можно однозначно связать с температурой атмосферы. Однако при протонном возбуждении возникают затруд­ нения, так как считают, что первичные протоны, обладаю­ щие относительно большим импульсом, могут сущест­ венно изменить вращательную энергию молекул одно­ временно с ионизацией и возбуждением. Эта проблема рассмотрена более подробно в разд. 6.3. Для этих полос самопоглощение несущественно вследствие низкой концен­ трации ионов Ыг+.

Было сделано несколько попыток, определить темпера­ туры из распределения колебательных интенсивностей молекулярных полос (см. [8, 15]). Однако разность энергий между колебательными уровнями в молекулах кислорода и азота так велика, что верхние колебательные уровни в основном состоянии практически не населены, за исклю­ чением температуры выше 1000 К, достижимой только на больших высотах. Все же знание распределения интен­ сивности в колебательных полосах может пролить свет на механизмы возбуждения (п. 5.3.2).

Вследствие быстрых вариаций интенсивности и движе­ ний в полярных сияниях полученные из оптических наблю­ дений эмиссий температуры принесут пользу только в том случае, если они получены за короткие временные интер­ валы. Поэтому прежние измерения температур фотографи­ ческим методом устарели после разработки и внедрения фотоэлектрических приборов для измерения температур при оптических наблюдениях.

6.2. Допплеровские температуры

Допплеровское уширение эмиссионной линии, обус­ ловленное беспорядочными тепловыми движениями атомов, выводится в учебниках. Распределение интенсивности в линии с частотой ѵ дается соотношением

где / — интенсивность линии, проинтегрированная по ѵ, ѵ0 — частота в центре линии, а другие обозначения обще­ приняты.

Полуширина б (расстояние между точками, в которых интенсивность равна половине максимальной) определяется соотношением

мосфере от ІО3 до 10 с-1. Поэтому на высотах появления полярных сияний атомы 0(х5) будут в основном возвра­ щаться в тепловое равновесие, прежде чем они излучат, даже если при возбуждении происходит сильное изменение скоростей. На высотах ниже примерно 300 км тепловое равновесие будет восстанавливаться и для атомов 0 (XD).

Кроме того, прямое возбуждение атомарного кислорода электронным ударом не будет приводить к существенному изменению скоростей атомов вследствие небольшого им­ пульса электрона. Диссоциативная рекомбинация молеку­ лярного кислорода, которая, вероятно, является второ­ степенным источником (разд. 5.1), дает избыток энергии

увеличивая скорость их движения в 5—8 раз по сравнению с тепловой.

Тепловое допплеровское уширение линий чрезвычайно мало, поэтому необходимо применять оптические приборы с высоким разрешением, чтобы получить желаемые резуль­ таты. Полуширины спектральных линий кислорода по порядку величины составляют ІО-2 Â-

Пока не были разработаны интерферометры Фабри— Перо с фотоэлектрической регистрацией, не представлялось возможным получить из наблюдений допплеровские тем­ пературы с достаточно высоким разрешением и необходи­ мой временной постоянной. Необходимая аппаратура была разработана и использована для наблюдений рядом ис­ следователей [3, 4, 7, 17, 21, 26]. Из-за низкой светосилы интерферометров Фабри — Перо даже умеренно яркие поляр­ ные сияния необходимо сканировать не меньше 15 с, что­ бы получить точность ±50 К. Интерферометр Майкельсона с компенсацией поля для измерений температур полярных

ний и удалось связать температуры с приближенными вы­ сотами в атмосфере. В трех случаях температурный гра­ диент составлял 5,0; 4,2 и 4,0-К/км на высотах от 100 до 160 км (принималось, что нижняя граница полярного сия­ ния расположена на высоте 105 км). Четвертое измере­ ние, которое авторы считают аномальным, дало значение градиента 1,1 К/км. Установлено, что температура, опре­ деленная при повторных измерениях одного и того же сияния с временным интервалом 2—3 мин, может флук­ туировать в пределах 100 К- Кроме того, для одной ночи

найдено существенное уменьшение температуры. Между 22 ч и 00 мин и 1 ч 00 мин LT средняя температура упала с 350 до 250 К- Это согласуется с уменьшением высоты полярных сияний в течение ночи, найденным другими исследователями (разд. 2.5).

Получены впечатляющие данные о допплеровских тем­ пературах эмиссии Х5577 Â по измерениям на интерферо­ метре Майкельсона. Наиболее существенным результатом явилось обнаруженное систематическое уменьшение доп­ плеровской температуры с ростом яркости свечения в определенном временном интервале. Наиболее характер­ ный пример приведен на рис. 6.2. Связь между темпера­

но все же поразительна. Даже в период кратковременных флуктуаций интенсивности происходят вариации темпе­ ратуры (рис. 6.3).

Найденные этим методом температуры и их вариации с высотой довольно хорошо согласуются с современными представлениями о верхней атмосфере. Хилльярди Шеферд [14] объяснили свои данные систематическим изменением высоты полярного сияния в зависимости от параметров корпускулярного потока. Это должно означать, что моду­ ляция интенсивности полярного сияния обусловлена в значительной степени модуляцией энергии частиц, а не модуляцией (во всяком случае, не полностью) потока частиц. Эта точка зрения подтверждается статистическими данными измерений высот полярных сияний (разд. 2.5). На основе высотных профилей свечения, вычисленных Рисом для экспоненциального энергетического спектра электронов (разд. 2.3), Хилльярди Шеферд нашли, что при увеличении характерной энергии электронов от 1,5 до 10 кэВ полученная по допплеровскому профилю темпера­ тура уменьшается с 500 до 300 К. При такой интерпрета­ ции вариации интенсивности полярных сияний и соответ­ ствующие изменения допплеровской температуры полно­ стью объясняются вариациями характерной энергии элек­ тронов, за исключением самых низких энергий. Однако поток существенно изменяется от одного полярного сия­ ния к другому.

Наблюдательные данные о. заметном’ разогреве атмо­ сферы в период полярных сияний отсутствуют. Это спра­ ведливо также и для среднеширотных красных дуг [22]*.

6.3. Вращательные температуры

Распределение интенсивности вращательных уровней в молекулярных полосах очень удобно для измерений температуры, поскольку разности энергий отдельных уров­ ней таковы, что большинство вращательных уровней насе-

* Разогрев верхней атмосферы во время геомагнитных воз­ мущений, приводящий к уширению допплеровского контура крас­ ной кислородной эмиссии, описан в работах: Т. М. Мулярчик,

П. В. Щеглов, Planet Space Sei., 10, 215 (1963); В. И. Красовский,

Геомагнетизм и аэрономия, 7, 945 (1967).-— Прим. ред.