Полярные сияния - Юрий Мизун

Хорошие количественные измерения спектров полярных сияний трудно получить по следующим причинам:

1. Из-за сложной структуры полярного сияния, причем наблюдатель с Земли автоматически суммирует эмиссию вдоль луча зрения своего прибора.

2. Количественные измерения спектральных интенсивностей очень трудоемки и даже относительные измерения сильно подвержены погрешностям калибровки, когда разность длин волн велика.

3. Атмосферное рассеяние и поглощение света в значительной степени искажают распределение интенсивности, особенно в коротковолновом диапазоне, где сильно рэлеевское рассеяние, и в инфракрасной области, где преобладает поглощение. Учет рассеяния и поглощения составляющими воздуха, содержание которых переменно, всегда сложно. В случае протяженного источника света, который рассеивается из пучка, излучение частично компенсируется светом из других частей источника, рассеянным в пучок. Поэтому астрономические таблицы атмосферной экстинкции не могут быть применимы. Они пригодны только для точечных источников.

В случае сияния видимое ослабление вследствие рассеяния уменьшается примерно наполовину: в целом около половины рассеянного света уходит вверх и приблизительно столько же направлено вниз. Из-за изменения содержания водяного пара, пыли и других загрязнений рассеяние и поглощение могут значительно изменяться со временем.

Все указанные причины приводят к тому, что имеющиеся данные о спектрах полярных сияний являются недостаточно точными и настоятельно необходимо иметь более надежные количественные измерения.

Определение температуры атмосферы в области полярных сияний

Тепловые атомы и молекулы, излучающие в определенных линиях спектра, находятся в постоянном и беспорядочном движении. За счет их движения будет происходить допплеровское смещение линии излучения. По этому уширению можно измерять температуру газа, причем излучающие возбужденные атомы и молекулы должны находиться в тепловом равновесии с другими частицами атмосферного газа. Только при этом условии существует однозначная связь между энергиями возбужденных атомов и молекул и температурой атмосферы.

В этом методе обычно измеряют допплеровский профиль запрещенных линий кислорода 5577, 6300 и 6364 Å. Время жизни атомарного кислорода в метастабильном состоянии достаточно для восстановления теплового равновесия с окружающей атмосферой, которое в процессе возбуждения нарушается. Для атомов О ('S) оно равно около 0,7 с, тогда как частота столкновений на высотах 100—170 км изменяется от 103 до 10-1 с. Ниже 300 км тепловое равновесие будет успевать восстанавливаться и для атомов O ('D), время жизни которых 110 с.

Выбор указанных линий излучения хорош и тем, что самопоглощение в этих линиях мало. Импульс возбуждающего электрона мал (из-за малости массы последнего). Поэтому при прямом возбуждении атомарного кислорода электронным ударом скорость атомов изменяется несущественно.

При измерении температуры атмосферы допплеровским методом необходимо измерять допплеровское уширение линии излучения всего в 0,01 Å. Интерферометры Фабри-Перо с оговорками годятся для таких измерений, так как необходимое время сканирования их при этом должно быть не менее 15 с. Лучшие результаты дает использование интерферометра Майкельсона с компенсацией поля.

Результаты измерения температуры атмосферы допплеровским методом показали, что она за 2—3 мин может меняться на 100 К. Было также получено, что с увеличением яркости свечения допплеровская температура уменьшается. Даже при кратковременных изменениях интенсивности изменяется температура. Такая зависимость связана с тем, что высота полярного сияния зависит от характеристик вторгающихся частиц, а именно их энергии.

Второй метод определения температуры атмосферы связан с распределением молекул по вращательным энергиям, которое влияет на распределение интенсивности внутри полосы излучения. Данный метод применяется главным образом к полосам первой отрицательной системы азота N2+. В фиолетовой части спектра, где эти полосы наиболее интенсивны и их легко измерять, вращательная температура такова, что распределение энергии среди вращательных линий можно достаточно точно измерить. Самопоглощение для этих полос мало из-за низкой концентрации ионов N2+. В молекулярных полосах распределение интенсивности вращательных уровней удобно для целей измерения температуры: большинство вращательных уровней населено.

Распределение населенности очень чувствительно к температуре газа. Однако и этот метод сопряжен с большими сложностями, связанными со структурой полос, их интенсивностью и пространственным разрешением, а также с трудностью точно определить высоту полярного сияния. Вращательные линии заметно перекрываются, а слабые полосы сильно блендуются другими эмиссиями полярных сияний. Метод, естественно, дает большую точность для случаев более интенсивных полярных сияний (это позволяет взять меньше время измерения).

Установлено, что лучше всего использовать измерение интенсивности полос (0—0), (0—1) первой отрицательной системы N2+ с длинами волн 3914 и 4278 Å.

Поскольку время жизни возбужденных молекул очень мало, то тепловое распределение определяется нейтральными молекулами, находящимися в основном состоянии.

Был изготовлен «температурный фотометр» с двумя узкополосными фильтрами, центрированными на длины волн таким образом, чтобы интенсивности излучений, пропускаемых фильтрами, были чувствительны к вращательной температуре. Измерения проводились за 1 с. С помощью этого прибора был измерен высотный градиент температуры, равный 6 К/км.

Использование фотоэлектрических спектрометров дало наиболее надежные измерения вращательной температуры. Эти измерения также дали величину высотного градиента 5-6 К/км.

Было установлено, что несколько раньше периода распада активных форм полярных сияний вращательная температура несколько выше нормальной, а после фазы распада — ниже ее.

Таким образом, благодаря оптическим наблюдениям полярных сияний можно узнать температуру атмосферы с временным разрешением порядка секунд и с точностью 10% и даже лучше. Такие измерения позволяют непрерывно следить за температурой и ее изменениями в зависимости от солнечного цикла и времени года, а также в течение ночи и в периоды возмущений. Оптические измерения температуры позволяют определить высоту диффузных форм полярных сияний, которую невозможно измерить параллактическим методом.

Радиосияния

Мы говорили о том, что полярная ионосфера очень сильно отличается от ионосферы средних широт. Это отличие состоит прежде всего в том, что источник ионизации, которому обязана своим существованием полярная ионосфера, нерегулярен во времени и неоднороден в пространстве. Кроме того, в полярной ионосфере содержатся неоднородности электронной концентрации различных размеров и с различными временами жизни. Все эти особенности полярной ионосферы не могут не сказываться на распространении радиоволн различных диапазонов в высоких широтах.

Так, еще в 30-е годы было обнаружено, что можно установить надежную связь между корреспондентами в Арктике, если радиоволну направлять не на корреспондента, а в направлении севера. Напомним, что радиосвязь в обычных условиях на коротких волнах идет путем зеркального отражения радиоволны от ионосферного слоя. При этом падающая под определенным углом на ионосферный слой и отраженная от этого слоя радиоволна проходят в одной плоскости. Угол падения и угол отражения радиоволны равны. Чтобы отражение радиоволны было зеркальным, надо, чтобы ионосферный слой был достаточно толстым и не содержал неоднородностей электронной концентрации.

В полярной ионосфере ситуация значительно сложнее: там содержатся не только ионосферные неоднородности, но и горизонтальные градиенты электронной концентрации. Поэтому радиоволны не обязательно будут распространяться в плоскости большего круга. Кроме того, появляются различные возможности отражения и рассеяния радиоволн (вперед, назад, под углом к направлению распространения и т. д.). Отсюда проблема распространения радиоволн в высоких широтах очень сложная, чем и объясняется трудность обеспечения там надежной и стабильной радиосвязи, уверенной работы радионавигационных и радиолокационных систем и других установок, использующих при своем функционировании распространяющиеся радиоволны.

Мы не можем здесь рассматривать всю проблему особенностей распространения радиоволн в высоких широтах, а рассмотрим только особенности, которые очень тесно связаны с полярными сияниями.

Радиосияния — это отражение радиоволн от областей в полярной ионосфере, занятых полярными сияниями. Отсюда и термин «радиосияния» наряду с термином «полярные сияния». По крайней мере длительное время считалось, что отражение радиоволн происходит в точности от полярных сияний и радиометодом можно исследовать закономерности самих полярных сияний. В дальнейшем, при более полном изучении явления, оказалось, что связь радиосияний с полярными сияниями более сложная, тем не менее оба явления являются проявлением одного и того же процесса — вторжения потоков заряженных частиц в ионосферу высоких широт.