ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 11, с. 50-56
^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
УДК 539.196
ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОВОЗБУЖДЕННЫХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
© 2011 г. Г. В. Голубков
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
E-mail: golubkov@chph.ras.ru Поступила в редакцию 15.12.2010
Рассмотрено влияние нейтральных частиц в E- и D-слоях верхней атмосферы Земли на спектр спонтанного излучения (поглощения) ридберговских атомов и молекул для переходов, протекающих без изменения главного квантового числа (Ди = 0). Наряду с процессом l-перемешивания учтено расщепление орбитально вырожденных состояний за счет взаимодействия с возмущающими нейтральными частицами среды. Проанализированы возможные типы радиационных переходов между ними. Показано, что для квантовых чисел n = 10—30 дециметровое излучение соответствует переходам между уровнями расщепленных состояний, а метровое — переходам между их отдельными компонентами. Установлено, что для таких значений n отношения интенсивностей дециметрового и метрового диапазонов для переходов Ди = 0 к интенсивности ИК (Ди = 1) излучения составляют 10-4 и 10-6, соответственно. Обсужден вопрос о фазовом сдвиге спутникового сигнала в результате многократного комбинационного рассеяния при прохождении D-слоя атмосферы.
Ключевые слова: высоковозбужденные состояния атомов и молекул, D-слой верхней атмосферы Земли, нейтральные частицы, l-перемешивание, дециметровое и метровое излучения.
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что в периоды повышения солнечной активности в верхней атмосфере (от 40 до 110 км и выше) формируется микроволновое излучение, интенсивность которого значительно превышает фоновую и оказывает неблагоприятное воздействие на различные объекты, включая биосферу Земли [1]. Так во время вспышки интенсивность ионосферного излучения возрастает в 40 и более раз, что многократно превышает типичные уровни микроволновых всплесков Солнца [2]. В частности, такое увеличение наблюдалось с помощью радиотелескопа в периоды геомагнитных возмущений в интервале длин волн 3—50 см [3]. Интенсивности излучения в этой работе не приводились, а соответствующие графические зависимости были нормированы на максимальное значение.
При проведении активных экспериментов (которые состояли в нагреве ионосферы мощными импульсами радиоволн на частотах 4.7—6.8 МГц) ионосфера генерировала микроволновое дециметровое излучение на частотах ~600 МГц, а также дополнительное эмиссионное свечение красных линий атома кислорода [4]. Экспериментально установлено, что микроволновое излучение (МВИ) обусловлено радиационными переходами между ридберговскими состояниями атомов и молекул, которые возбуждаются потоками электронов, выбрасываемых из ионосферы [5]. Переходы между ридберговскими состояниями атома кислорода
были также зарегистрированы при свечении ночного неба (в области спектра 394—927 нм) [6]. Анализ различных возможностей генерации обнаруженного МВИ показал, что наибольший вклад в результирующую картину спектра излучения вносят переходы между ридберговскими уровнями нейтральных компонент неравновесной двухтем-пературной ионосферной плазмы в О-слое (60— 90 км) верхней атмосферы [7].
Особенности этого спектра связаны с тем, что состояния высоковозбужденных частиц здесь возмущаются нейтральными частицами среды. Влияние среды сводится к формированию орбитально вырожденных состояний с большими значениями угловых моментов / слабосвязанного электрона и расщеплению этих состояний за счет взаимодействия с возмущающими нейтральными частицами. Процесс, приводящий к формированию этих состояний, называется /-перемешиванием [8]. В верхней атмосфере он протекает быстро (за времена порядка 10-8 с) и является необратимым, т.е. все ридберговские частицы практически оказываются вырожденными. В результате различия между атомами и молекулами пропадают, и спектр излучения становится однородным (т.е. не зависящим от химического состава возбужденных частиц) [7]. Оптические переходы между такими состояниями происходят преимущественно между соседними уровнями с Ап > 0, где п — главное квантовое число. В работе [9] были исследованы переходы Аи > 1
между орбитально вырожденными состояниями (без учета изменения энергий уровней возбужденных состояний), где излучение преимущественно происходит в ИК-диапазоне.
В настоящей работе основное внимание уделено переходам Ап > 0, где центральную роль играют расщепленные за счет взаимодействия со средой орбитально вырожденные состояния. Показано, что для небольших значений п они приходятся на дециметровый диапазон длин волн, а переходы между их отдельными компонентами соответствуют метровому диапазону. Первые важны для навигационных сигналов спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, вторые представляют интерес для прикладных задач радиолокации. В этих условиях частотный спектр излучения (и поглощения) сильно зависит от плотности среды. Предложен способ восстановления интенсивности излучения дециметрового диапазона для главных квантовых чисел п = 10—30 по наблюдаемому ИК излучению.
2. ДЕЦИМЕТРОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
РИДБЕРГОВСКИХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
Излучение изолированных частиц
В рамках традиционного подхода разрешенные электрические дипольные переходы соответствуют изменению орбитального углового момента внешнего электрона А = ±1. При этом считается, что для высоких значений главных квантовых чисел п (и, соответственно, больших I < п — 1) наиболее существенными являются переходы между соседними ридберговскими уровнями, которые отвечают изменению главного квантового числа Аи = 1 и соответствуют радиодиапазону. Именно такая ситуация реализуется в разреженной ионосферной среде (без учета взаимодействия ридбер-говских атомов и молекул с невозбужденными нейтральными частицами среды).
Так как спутниковые сигналы GPS расположены в полосе частот Аv = 1—2 ГГц, для переходов с изменением главного квантового числа Аи = 1 этот диапазон относится к энергетическому интервалу
АЕ = П
А Е -
2.0' 1.0
Ну
2
Ну
(п -1)
2Яу
3 '
10» Гц «т. ю-'
10.4141
(1)
что отвечает дециметровому излучению (АХ ~ 15— 30 см) и главным квантовым числам, равным соответственно
150 190
(2)
(величина Яу равна 13.606 эВ). Для переходов в этом диапазоне без изменения главного квантового числа Аи = 0 наиболее существенными являют-
ся дипольные переходы между ридберговскими состояниями с небольшими угловыми моментами электронов I < I* (для основных компонент атмосферы I* > 3). Характерная спектральная область переходов здесь определяется простой формулой
АЕ (( ^ I ± 1) =
Яу
Яу
(3)
(п -ц,) (п -ц,±1)
где — квантовый дефект изолированного рид-берговского атома или молекулы. Переходы, соответствующие дециметровому диапазону, отвечают интервалу главных квантовых чисел п ~ 100—200.
Вероятности переходов между вырожденными ридберговскими (кулоновскими) состояниями с большими значениями угловых моментов I = 3 — — (п — 1) здесь сильно подавлены за счет малости соответствующих частот переходов [10]. Более того, в двухтемпературной плазме, формирующейся в верхней атмосфере под действием геомагнитных бурь, перечисленные оптические переходы вследствие дебаевского понижения потенциала ионизации большой роли не играют. Например, для температуры нейтральных компонент среды Та = 300 К и концентрации электронов пе = 6.0 • 109см-3, предельное дебаеевское главное квантовое число составляет пв = 7.2 • 104(Яу27/пе)1/4 ~ 200 [11].
Излучение ридберговских частиц в нейтральной среде
Ситуация существенно меняется, когда ридбер-говские атомы X** и молекулы ХТ** возбуждаются в газовой среде, содержащей нейтральные частицы. Ридберговские атомы X** и молекулы ХТ** характеризуются наличием слабосвязанного электрона (с энергией порядка десятых долей электрон-вольта и меньше) и большими размерами (сотни ангстрем и больше). Поэтому частицы X** и ХТ** нельзя, строго говоря, считать изолированными, так как даже в сильно разреженном газе они эффективно взаимодействуют со средой [12].
Возмущение ридберговских атомов и молекул нейтральными частицами приводит к расщеплению уровней на группы подуровней, число которых пропорционально плотности окружающей среды. При этом снимается вырождение по проекциям углового момента слабосвязанного электрона на ось, соединяющую положительный ион и центр тяжести частиц, попадающих в электронное облако радиуса ге = 2п2. В результате формируется сложная энергетическая структура, которая обладает множеством псевдопересечений поверхностей потенциальной энергии.
Основные процессы взаимодействия со средой
Процессы взаимодействия ридберговских атомов и молекул ХТ** с окружающими частицами
п
охватывают неупругие столкновительные процессы, простейшие химические реакции диссоциации и обмена, а также ионизацию и перезарядку. Наиболее яркие и существенные особенности этих процессов связаны с проявлением сильной неадиабатической связи электронного и ядерного движений в возбужденных молекулах. Взаимодействие с нейтральной частицей М одновременно включает взаимодействие с ионом и слабосвязанным электроном. Первое характеризуется малыми прицельными параметрами. Второе, напротив, отвечает большим значениям параметров столкновения. На первый взгляд представляется, что если внутрь обширного электронного облака попадает нейтральная частица, то с молекулой ХТ** ничего существенного не происходит, так как вероятность любого события при относительном движении сталкивающихся частиц вдоль заданной траектории чрезвычайно мала. В действительности, это компенсируется большими поперечниками столкновений вследствие того, что в процесс вовлекается множество смешанных ридберговских состояний. В результате полные сечения могут существенно превышать газокинетические.
Важнейшим процессом, протекающим при взаимодействии ридберговских атомов и молекул с частицами среды, является /-перемешивание [8]
Х**(п,/) + М ^ Х**(п,/') + М,
(4)
сопровождающийся интенсивным смешиванием орбитальных угловых моментов электрона (А/ = |/ - /'| < п). При медленных столкновениях атомов и молекул с относительной скоростью
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.