ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 528-539
УДК 550.388
ЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВАРИАЦИИ ЭМИССИИ КОНТИНУУМА ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ. 1. ИНТЕНСИВНОСТЬ
© 2014 г. А. И. Семенов1, Н. Н. Шефов1, И. В. Медведева2
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва 2Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск e-mail: anasemenov@yandex.ru; nikoshefov@yandex.ru Поступила в редакцию 31.07.2013 г. После доработки 10.09.2013 г.
Выполнен анализ данных наземных и спутниковых измерений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра интенсивности эмиссии континуума (непрерывного излучения) верхней атмосферы. Данные получены на геофизических станциях, расположенных в различных частях земного шара, и с борта орбитального космического корабля "Мир". Выявлены закономерности спектрального распределения интенсивности эмиссии континуума и ее вариации для различных гелио-геофизических условий.
DOI: 10.7868/S0016794014040154
1. ВВЕДЕНИЕ
Существование непрерывного спектра (континуума) в излучении ночной верхней атмосферы обратило на себя внимание исследователей при оценке суммарного света звезд, а также изучении временных и пространственных вариаций излучения неба в тех спектральных участках, где отсутствуют дискретные эмиссии [Страйжис, 1977; McDade et al., 1986]. Истинная спектральная структура такого квазинепрерывного излучения достоверно не известна вследствие его малой спектральной плотности интенсивности (~10 рэлей нм-1) и возможного блендирования различными молекулярными эмиссиями. Поэтому под понятием континуума подразумевается вся совокупность излучения как действительно непрерывного по спектру, так и возможная совокупность слабых спектрально неразрешенных диффузных молекулярных полос.
Наиболее многочисленные исследования пространственно-временных характеристик интенсивности излучения континуума проводились в видимых областях спектра, в том числе около 530 нм [Чуваев, 1952,1961; Шефов, 1959, 1960, 1961; Ка-рягина и Туленкова, 1959; Ярин, 1961; Таранова, 1962; Гиндилис, 1965; Davis and Smith, 1965; Dan-dekar, 1966; Sparrow et al., 1968; Фишкова, 1969, 1970, 1983; Robley and Vilkki, 1970; Sternberg and Ingham, 1972; Gadsden and Marovich, 1973; Страйжис, 1977; Соболев, 1978; Sobolev, 1978; Misawa and Takeuchi, 1982; McDade et al., 1984, 1986]. Результаты этих исследований показали, что интенсивность атмосферного континуального излучения в этой области спектра в среднем составляет ~10 рэлей нм-1.
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Первоначальные исследования континуума в различных спектральных участках проводились при помощи фотометров с фильтрами, имеющими спектральные интервалы ДА,1/2 ~ 10 нм. Поэтому выводы, полученные в результате таких измерений, в основном относились только к возможным временным вариациям его интенсивности. Измерения же спектрального распределения излучения континуума стали возможны благодаря появлению светосильных спектрографов. Их применение позволило впервые обнаружить существование широкого максимума интенсивности вблизи 600 нм и уменьшение интенсивности в ультрафиолетовой и инфракрасной областях [Шефов, 1959, 1961; Ярин, 1961; Гиндилис, 1965; Фишкова, 1969, 1970, 1983; Мохоп, 1978; Соболев, 1978; 8оЪо1еу, 1978]. Интенсивность этого максимума в среднем составляет 10—15 рэлей нм-1.
Оценки спектрального распределения континуума делались в основном на базе наземных спек-трофотометрических измерений [Соболев, 1978; 8оЪо1еу, 1978]. В результате было получено, что спектральный состав континуума меняется в течение сезонов года в среднем на 20%, хотя, и это необходимо отметить, наблюдались и более значительные изменения его спектрального состава. Такие изменения спектральных характеристик континуума свидетельствуют о нескольких процессах его возникновения.
3. ПРОЦЕССЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Важно подчеркнуть, что, несмотря на то, что спектральная объемная интенсивность эмиссии континуума мала (хотя и отмечались случаи значительного усиления до 100—150 рэлей нм-1 [Ярин, 1961]), однако его интегральная интенсивность в широкой области спектра оказывается весьма значительной. Так, для области 350-1200 нм интенсивность его излучения в среднем составляет ~10 килорэлей, а в отдельных случаях может достигать 20-30 килорэлей. Таким образом, это излучение фактически обусловливает самостоятельный, достаточно интенсивный компонент в свечении ночного неба. К сожалению, для более длинноволновой области спектра (больше 1200 нм) данных наблюдений о континууме практически нет. Имеющиеся теоретические публикации, в которых делались оценки о возможном увеличении интенсивности излучения континуума (до 150 килорэлей) в длинноволновой области спектра 1975, 1977, 1986], основывались на использовании данных разнородных измерений спектров излучения ночного свечения верхней атмосферы [Шефов и др., 2006].
Первые теоретические представления о природе атмосферного континуума были даны в работе Красовского [1951], в которой был предложен двухступенчатый химический процесс его возникновения - образование окиси азота и его взаимодействие с атомарным кислородом, в результате которого образуются возбужденные молекулы двуокиси азота, излучающие континуальное излучение.
N2 + О ^ N0 + М
aNO = 1.2 х 10 10 exp
38000 T .
см3 с 1
NO + O ^ NO* + hv,
aNOO = 2.9 x 10-17 exp(-530/T) см3 с-1.
Этот процесс достаточно хорошо исследован в лабораторных условиях [Кармилова и Кондратьев, 1951]. В дальнейшем этот механизм получил свое подтверждение в работах [Gadsden and Ma-rovich, 1973; Noxon, 1978; Красовский, 1978; Кра-совский и др., 1980; Шефов и др., 2006].
Позже, в работе [Kenner and Ogryzlo, 1984] было предложено развитие этого процесса — реакция, приводящая к возбуждению молекулы двуокиси азота, может происходить и с возбужденной молекулой озона
NO + O* ^ NO* + O2 + hv,
а * = 1.8 х 10 15 см3 с
NOO3
Образование возбужденных молекул озона обусловливается реакцией, в которой участвует возбужденная молекула кислорода, излучающая полосы первой системы Герцберга
O2(a4Х+) + O2 ^ O* + O,
а t = 1.8 х 10 15 см3 с
O*O2
Кроме этого процесса, возникновение возбужденных молекул озона (в метастабильном состоянии, связанном с излучением полос Шаппюи вблизи 600 нм) возможно в другой реакции [Gadsden, 1967]
O2(a4g) + O ^ O* ^ O3 + hv.
Другой возможный процесс, приводящий к образованию возбужденной молекулы двуокиси азота, связан с окисью азота и невозбужденной молекулой озона [Clough and Thrush, 1967]
NO + O3 ^ NO* + O2 + hv,
aNOOj = 1.26 x 10-12 exp(-2100/T) см3 с-1.
Реальное разделение спектральных распределений излучений в континууме, обусловленных этими реакциями, невозможно, так как они протекают одновременно. Поэтому все эти реакции можно рассматривать, согласно [Kenner and Ogryzlo, 1984], как единый механизм, приводящий к возникновению континуального излучения верхней атмосферы. В работе [Kenner and Ogryzlo, 1984] это излучение регистрировалось в области спектра 400-1600 нм, по данным работы [Golde et al., 1973] оно прослеживалось до 3000 нм.
3 -1
4. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ
На основе данных о спектральном распределении интенсивности излучения континуума, выявленных на основе лабораторных исследований [Kenner and Ogryzlo, 1984], нами была получена более детальная его аппроксимация, чем сделанная ранее в работе [Шефов и др., 2006]. На рисунке 1 представлены спектральные распределения интенсивности (фотоны) континуума, возникающего в различных участках спектра, и соответствующих различным механизмам его возбуждения в реакциях с различными атмосферными компонентами. Распределение интенсивности излучения континуума по спектру (фотоны, относительные единицы [Kaufman, 1958]) может быть аппроксимировано едиными формулами вида
I(X) = I
max V u max
)exp
1
_ -ln
VCT 0 + 8CT x п
1.2 г
500 1000 1500 2000
Длина волны X, нм
2500
3000
Рис. 1. Спектральные относительные (фотоны) распределения интенсивности континуума в соответствии с реакциями различных компонентов, указанных возле каждой кривой, вычисленные на основе аппроксимации данных лабораторных измерений [Kenner and Ogryzlo, 1984].
где 1тах — значение интенсивности излучения, соответствующего длине волны Хтах для распределений, относящихся к конкретному процессу (указанных на рис. 1), знак минус (—) соответствует интервалу спектра X < Xтах, а знак плюс (+) интервалу X > Xтах. Средняя погрешность такой аппроксимации составляет 1—2%. Соответствующая интегральная интенсивность определяется формулой
1 = I(X max)
exp
ln
2 X
X m
(ао - 5a)
d X +
+ J exp
ln
2X
Xm
(a о + 5a)
dX
a 0 + 5a
= тах)^ тах(^ 0 + 5а)ехр
где Хтах — длина волны в нм.
Для реакции окиси азота с атомарным кислородом распределение интенсивности излучения континуума по спектру можно представить выражением
1 NOO
(X) = 1.00 exp
1
-ln
-ч2
,0.385 + 0.115 625у где INOO в относительных единицах.
Спектральное распределение излучения (5001400 нм), возникающего в реакции окиси азота с возбужденной молекулой озона, и спектральное распределение излучения в спектральном интервале (600-3000 нм), обусловленное реакцией окиси азота с невозбужденной молекулой озона, определялись в работе [Kenner and Ogryzlo, 1984]. Они могут быть представлены выражениями, соответственно
I *(Х) = 1.00 exp
NOO3 V 7 ^
?noo» = 1.00 exp
-Ч2
0.400 + 0.063 820J
1
-ln
1
-ln-
0.448 + 0.096 1200
Здесь, как и в предыдущих формулах, длина волны X — в нм.
Соответствующие интегральные значения ин-тенсивностей указанных спектральных распределений определяются выражениями
1N00 = 5001N00^ тах),
= 6461 *(Х тах),
N00*4 тах
NOO3
* МОП, = 1081Inoo3(A,
^003 _ 10811 N00^^ тах ) •
Для видимой части спектра оценка интегрального излучения континуума составляет ~7 килор-элей при средней спектральной плотности излучения 10 рэлей нм—1.
Результаты расчета спектральных распределений интенсивности континуального излучения, обусловленного различными процессами образо-
\
X
max
/
ад
Относительные спектральные распределения интенсивности (в фотонах) континуумов, вычисленные по ап
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.