Методом спектрального анализа был определен не только химический состав верхней атмосферы (который до запуска ракет и спутников не мог быть исследован прямыми методами), но и химический состав фотосферы Солнца. Основные результаты исследования полярных сияний получены, как уже отмечалось, путем анализа спектра излучения атмосферных газов.
Рис. 54. Спектр электромагнитных излучений
На верхней границе земной атмосферы взаимодействие энергичного электрона с атомами атмосферного газа мало эффективно. Во-первых, электрон движется очень быстро и не успевает взаимодействовать с атомами. Во-вторых, плотность атмосферы там очень мала и вероятность того, что электрон встретит на своем пути атом, также невелика. По мере углубления энергичного электрона в атмосферу ситуация постоянно меняется: плотность атмосферы быстро увеличивается, а энергия электрона постепенно уменьшается. Электрон при каждом своем столкновении с нейтральным атомом выбивает из него по одному орбитальному электрону. Нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион. Выбитый электрон уходит из атома и становится свободным. Если этот электрон выбит не из внешнего уровня, то его место займет более внешний электрон. Мы уже говорили, что этому электрону надо отдать излишек энергии в виде излучения кванта света. На один акт ионизации (отрыв одного электрона из атома) энергичный электрон тратит строго определенную долю энергии и продолжает лететь дальше, пока не встретит очередной атом. Так, один энергичный электрон па своем пути способен ионизовать десятки атомов атмосферного газа. Чаще всего происходит отрыв одного электрона из атома. Если из атома оторваны два орбитальных электрона, то этот атом дважды ионизован. В атмосфере почти все ионы являются однократно ионизованными атомами.
Когда энергичный электрон взаимодействует с атомом, то происходит не только ионизация атома, но и его возбуждение. Как говорилось выше, атом не может долго находиться в возбужденном состоянии. Орбитальный электрон из возбужденного уровня переходит па свой обычный энергетический уровень, излучая при этом квант света. Это излучение и есть полярное сияние. Таким образом, все основные мощные эмиссии (излучения) полярных сияний возникают в основном в результате ударного возбуждения заряженными энергичными частицами (электронами и протонами). Как только заряженная частица сталкивается с атомом атмосферы, он сразу переходит в возбужденное состояние и испускает квант света. Тогда мы можем с поверхности Земли наблюдать полярные сияния.
Насколько эффективно энергичные заряженные частицы воздействуют на атомы и молекулы атмосферы зависит от их скорости. Если скорости электронов, протонов и ионов равны, то и эффективность их воздействия одинаковая. Но ионы и протоны в тысячи раз тяжелее электрона. Поэтому при равных скоростях энергии протона и иона в тысячи раз больше энергии электрона.
Хорошо установлено, что быстрые электроны образуют в воздухе около трех пар ионов на каждые 100 эВ первоначальной энергии. Таким образом, электрон с энергией 1 кэВ при полном израсходовании этой энергии образует около 30 пар ионов.
Ионизация атомов и молекул начинается тогда, когда энергия электрона превышает энергию ионизации атома или молекулы. Ионы действуют так же, если их скорости равны скорости электронов. Ионизация происходит наиболее эффективно, если скорость электрона в несколько раз больше, чем та минимальная скорость, при которой начинается ионизация. Это значит, что вначале, на верхней границе атмосферы, где энергия электронного пучка еще большая (и скорость тоже), электрон производит ионизацию атомов неэффективно. И только когда его энергия уменьшается (фактически почти в конце своего пути) электрон наиболее эффективно взаимодействует с атомами, вызывая их ионизацию (рис. 55). Собственно, именно электроны этих энергий интересны для рассматриваемой здесь проблемы полярных сияний; они проникают на те высоты атмосферы, где наблюдаются сияния.
Процесс ионизации происходит так, что первичный электрон выбивает из атома орбитальный электрон (назовем его вторичным), который получает от первичного электрона достаточную энергию, чтобы самому быть способным ионизовать другие атомы. Процесс носит характер каскадного ливня. При подсчете общей ионизации (числа пар ионов) получается, что большая часть ионов (70%) создается именно вторичными электронами. Каждый вторичный электрон уносит энергию около 90 эВ. Эта энергия может быть израсходована на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Возбуждение нейтральных частиц вызывается в значительной степени вторичными электронами.
Когда электрон израсходует свою энергию и ее недостаточно, для того чтобы ионизовать атомы, он способен остатки своей энергии передать атому или молекуле путем их возбуждения. Затем эти атомы или молекулы, переходя из возбужденного состояния в основное, излучают эту энергию в виде света различной длины волны (т. е. различного цвета).
Возбужденные состояния молекул бывают трех видов. Во-первых, они могут быть связаны с конфигурацией электронов в молекуле. Это так называемое электронное возбуждение. Во-вторых, — с колебаниями атомов относительно друг друга. Это колебательное возбуждение. В-третьих, — с вращением атомов относительно друг друга. Это вращательное возбуждение. Энергия вращательного возбуждения незначительна по сравнению с энергиями электронного и колебательного возбуждений.
Рис. 55. Глубина проникновения в атмосферу электронов (I) и протонов (II) различных энергий
Свечение атомов и молекул, которое представляет собой полярные сияния, происходит не только в результате действия энергичных электронов, при котором возникает прямое возбуждение первичными или вторичными электронами. Возбуждение спектров полярных сияний имеет место также при тепловых соударениях, т. е. при соударениях атомов и молекул с частицами, имеющими тепловые скорости. Если у этих частиц не хватает энергии, чтобы произвести ионизацию, то они возбуждают атомы и молекулы. При разогреве ионосферной плазмы электроны приобретают большие скорости, чем скорости тепловых электронов. Поэтому возбудить атомы и молекулы могут и электроны разогретой ионосферной плазмы. Наконец, возбуждение может вызываться и механизмами электрического разряда и вследствие разогрева электрическими полями.
Спектр полярного сияния состоит из многочисленных линий излучения и полос, которые принадлежат атомам и молекулам кислорода и азота, а также их ионам. В спектрах полярных сияний были обнаружены и все запрещенные атомарные линии излучения атомарного кислорода [OI], [OII] и азота [NI], [NII], которые находятся в видимой области спектра. Эти излучения возбуждаются электронами с энергиями около 10 кэВ. Кроме этих линий, в спектрах полярных сияний часто присутствуют также три первые линии серии Бальмера атомов водорода: Нα, Hβ и Hγ. Наибольшую интенсивность имеет излучение в линии на длине волны 6563 Å. На основании анализа спектров сияний на ряде ИСЗ было установлено, что водородные сияния вызываются протонами, средняя энергия которых равна 5—30 кэВ.
Водородные спектральные линии существенно расширены. Если вести наблюдения в направлении зенита, то они оказываются несколько смещенными в область более коротких волн. Это смещение происходит за счет того, что излучающие частицы (водород) движутся в направлении к наблюдателю. Это смещение вызвано эффектом Допплера.
Тот факт, что спектральные линии водорода оказались сдвинутыми в сторону ультрафиолетового конца спектра, свидетельствует о том, что водород двигался из космоса в сторону наблюдателя.
Самая яркая линия в спектре полярного сияния зеленая, длина волны ее равна 5577 Å. Эта линия принадлежит нейтральным атомам кислорода. Излучение в зеленой линии придает сияниям зеленоватую окраску. Напомним, что наибольшая чувствительность человеческого глаза приходится на длину волны 5550 Å (очень близко к линии 5577 Å). На длине волны 6300 Å чувствительность глаза уменьшается в 10 раз по сравнению с чувствительностью на длине волны 5550 Å.
Большую интенсивность в спектре сияний имеют полосы, которые излучает молекулярный азот. Имеется несколько систем таких полос.
В результате ионизации
некоторые молекулы азота образуются в возбужденном состоянии B2Z, которое является верхним уровнем для полос первой отрицательной системы. Если это так, то в некоторых случаях будет излучаться фотон в сильных полосах 3914 и 4278 Å. Наиболее вероятное значение для отношения между полной скоростью ионизации в атмосфере, включая ионизацию кислорода, и числом фотонов λ3914 Å составляет около 25. Для полос λ4278 и 4709 Å соответствующие отношения будут около 75 и 300, принимая отношение 1,0 : 0,34 : 0,075 соответственно для интенсивностей полос λ3914, 4278 и 4709 Å. Эти отношения очень слабо зависят от энергии первичных частиц: отношения между эффективными сечениями рассматриваемых процессов лишь слегка меняются с энергией электронов.
