Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

39. Roach F. E., Roach J. R., Planet. Space Sei., 11, 523 (1963).

40.Roach F. E., Smith L. L., in Aurora and Airglow, ed. В. M. McCormac, Reinhold Publ. Co., 1967.

41. Roble R. G., Hays P. B., Nagy A. F., Planet. Space Sei., 18,

431(1970).

42.Roederer J. G., in Earth’s Particles and Fields, ed. В. M. McCor­ mac, Reinhold Publ. Co., 1968, p. 193.

43.Roederer J. G., Dynamics of Geomagnetically Trapped Radia--

49.Sievwright \\7. A4., Planet. Space Sei., 17, 421 (1969).

50.Stürmer C., The Polar Aurora, Oxford, Clarendon Press, 1955.

51.Whalen J. 71., Trans. Amer. Geophys. Union, 51, 370 (1970).

Глава 2

Электронные полярные сияния: основные характеристики и излучение

2.1.Введение

Вэтом разделе будет рассмотрено использование дан­ ных о свечении полярных сияний для изучения первичных электронов, обусловливающих сияния, т. е. будут рас­ смотрены свойства атмосферы на основе анализа ее взаи­ модействия с авроральными электронами.

Хорошо известно, что протоны дают вклад в свечение полярных сияний, но эта проблема будет изложена в гл. 3. Здесь мы ограничимся только рассмотрением электронов. Сначала будет описано возбуждение свечения воздуха энергичными электронами как с теоретической, так и эк­ спериментальной точки зрения, затем будет рассмотрено,

как, исходя из этой информации, можно получить сведения о первичных электронах на основе данных о свечении поляр­ ных сияний и их высотном распределении в атмосфере*. Наконец, будет дано описание геометрии и динамики элек­ тронных полярных сияний. .

Спектр полярного сияния содержит большое число эмиссионных линий и полос, которые принадлежат главным образом атомам и молекулам азота и кислорода. Описание спектра и рассмотрение основных меахнизмов возбуждения дано в гл. 4 и 5. Однако необходимо подчеркнуть две осо­ бенности. Одна из них состоит в том, что полосы первой отрицательной системы №+ (среди которых наиболее силь­

* Искусственные полярные сияния возбуждались при помощи ускорителя, установленного на ракете [см. серию рефератов в

Trans. Amer. Geophys. Union, 51, 394 и 395 (1970)]. Возможно, уско­ ритель окажется полезным инструментом для непосредственного изучения воздействия быстрых электронов на верхнюю атмосферу.

в воздухе электронным пучком, известно весьма подробно. Другая важная особенность состоит в том, что распреде­ ления по высоте интенсивностей излучения линии [0 1 ] X 5577 Â и полос первой отрицательной системы весьма сходны, хотя возможны и некоторые расхождения.

2.2. Излучение N9 и ионизация

Хорошо установлено, что быстрые электроны образуют в воздухе около трех пар ионов на каждые 100 эВ перво­ начальной энергии [22]. Таким образом, электрон с энер­ гией 1 кэВ при полном израсходовании этой энергии об­ разует около 30 пар ионов. В результате ионизации

некоторые молекулы азота образуются в возбужденном состоянии В 2Х , которое является верхним уровнем для полос первой отрицательной системы. Если это так, то в некоторых случаях будет излучаться фотон в сильных полосах X 3914 или 4278 А- Соответствующие эффективные сечения, т. е. эффективные сечения ионизации с образо­ ванием иона в некотором возбужденном состоянии и эффек­ тивные сечения ионизации с последующим излучением фотона X 3914 или 4278 А, неоднократно изучались в лабо­ ратории [8 , 23, 25, 38—40, 43, 51, 52 67, 69, 71].

Наиболее вероятное значение для отношения между полной скоростью ионизации в атмосфере, включая иони­ зацию кислорода, и числом фотонов X 3914 составляет около 25. Для полос X 4278 и 4709 Â соответствующие

X3914, 4278 и 4709 А [69]. Эти отношения очень слабо зави­ сят от энергии первичных частиц, так как отношения между эффективными сечениями рассматриваемых процессов лишь слегка меняются с энергией электронов. Ситуация отлична для полярных сияний, возбуждаемых главным образом протонами как первичными частицами (п. 3.2.5).

7 4278 соответствующее отношение немногим более 2 х X ІО3 эВ/фотон. Это значение эффективности хорошо согла­ суется с непосредственными измерениями в полярных сия­ ниях, которые дали для преобразования первичной энер­ гии в излучение 7 4278 значение около (1,1 ± 0 ,4 ) -ІО"3 эВ/фотон [18].

Отсюда можно определить полный поток энергии, вно­ симой в атмосферу электронами, по измерениями интен­ сивности эмиссий Л. 3914 и 4278 Â в полярных сияниях. Однако возникают некоторые практические трудности

силовых линий, так что происходит интегрирование всего света, обусловленного совокупностью частиц, движущихся вдоль силовых линий в пределах поля зрения прибора. Тем не менее, учитывая при рассмотрении полную геометриче­ скую картину полярного сияния, можно получить полезные данные при наблюдениях над максимально большой пло­ щадью поверхности Земли из одного пункта.

Ракетные измерения могут обеспечить информацию о высотном распределении свечения и, следовательно, о скорости ионизации. Одновременные измерения концен­ трации ионосферных электронов могут дать сведения об эффективных коэффициентах рекомбинации.

На основе ракетных измерений [75] было проведено сравнение количества вторичных электронов, вычислен­ ного из потока первичных электронов в полярных сияниях и из интенсивности полосы 7 3914, измеренных одновре­ менно. Согласие между двумя совокупностями данных очень хорошее для ярких сияний и хуже для слабых. Сравнение скоростей образования электронов, вычисленных по ин­ тенсивности 7 3914 и из концентраций ионосферных элек­ тронов, измеренных одновременно, дали коэффициенты рекомбинации а от 4 -ІО-7 до 7 -ІО-7 см3/с на высотах от 114 до 125 км. Согласованность значений, полученных для а, была хорошая, учитывая, что наиболее слабые и наи­

40 раз. Было также найдено [75], что соотношение между потоками первичных частиц и концентрациями ионосфер­ ных электронов, измеренными с ракет, и интенсивностями X 5577, полученными по данным наземных измерений, хо­ рошо совпадали с теоретическими результатами, приводи­ мыми в [23].

Аналогично в работе [53] произведено сравнение ско­ рости ионизации и электронной концентрации в функции высоты в интервале от 82 до 95 км. Оказалось, что коэф­ фициент рекомбинации убывает от ІО-5 см3/с на высоте 82 км до примерно ІО'7 см3/с на высоте 95 км (см. также

[13]).

В ракетных измерениях вблизи Андойи (Норвегия, гео­ магнитная широта 67°) были одновременно измерены вы­ сотное распределение интенсивности X 4278 и концентрация электронов [18, 41]. Коэффициент эффективной рекомби­ нации а оказался немного меньше 10'7 см3/с на высоте более 115 км, слегка возрастая до более 2 -10“7см3/с на высоте 100 км. Имеется хорошее согласие между результа­ тами трех запусков, во время которых интенсивность по­ лярных сияний различалась в 20 раз. Аналогичные измере­ ния [14] дали значения от 3- ІО'7 до 6- ІО'7 см3/с, тогда как, согласно [50], это значение составляет около ІО“7 см3/с. Данные, полученные в работе [55], соответствуют значению около 2- ІО'7 см3/с.

Значение, в несколько раз превышающее ІО'7 см3/с, не противоречит оценкам, полученным из сравнения элек­ тронных концентраций в области Е во время полярных сия­ ний (на высоте около 100 км) и излучения, измеренных со­

тельных ионов в интересующей нас области высот [16]. Однако становится очевидным, что химия ионов в области Е может быть достаточно сложной [74].

Количественное соотношение между потоком частиц и интенсивностью излучения изучалось также при помо­ щи спутников. Однако эти данные недостаточно надежны, чтобы уточнить количественные соотношения, выведен­