Свечение атмосферы

Механизмы свечения атмосферы

Свечение атмосферы — это слабое естественное излучение, наблюдаемое в верхних слоях атмосферы в отсутствии прямого солнечного освещения. Оно имеет несколько источников, включая люминесценцию, хемилюминесценцию, фотоэмиссию и рекомбинационные процессы. Атмосферное свечение подразделяется на дневное, ночное и сумеречное, в зависимости от времени суток и условий освещения.

Ночное свечение наблюдается в верхней атмосфере — преимущественно на высотах от 80 до 300 км — и связано с рядом процессов, происходящих в мезосфере и термосфере. Основные механизмы:

• Рекомбинация ионизированных частиц. В течение дня ультрафиолетовое солнечное излучение ионизирует молекулы кислорода, азота и других компонентов воздуха. После захода Солнца начинается процесс рекомбинации ионов с электронами, что сопровождается высвобождением энергии в виде фотонов.

• Химические реакции (хемилюминесценция). Примером является реакция атомарного кислорода с молекулами озона:

  O + O₃ → 2 O₂^*,

  где O₂^* — возбужденное состояние молекулы кислорода, которое при переходе в основное состояние испускает фотон.

• Возбуждение атомов и молекул в результате столкновений. В плотных слоях верхней атмосферы происходят столкновения между ионизированными и нейтральными частицами, вызывающие возбуждение электронных уровней.

Наиболее яркое ночное свечение обусловлено излучением атомарного кислорода на длине волны 557,7 нм (зеленая линия), а также линиями излучения гидроксильного радикала OH (в ближнем ИК-диапазоне).

Дневное свечение

В дневное время атмосфера также светится, однако дневное свечение маскируется ярким рассеянным солнечным светом. Основные источники дневного свечения:

• Флуоресценция и фотолиз. Ультрафиолетовое излучение Солнца возбуждает молекулы атмосферы, вызывая их флуоресценцию. Фотолиз молекул (например, O₂, NO₂) также сопровождается излучением.

• Излучение при релаксации возбужденных состояний. Частицы, возбуждённые фотонами или электронами, испускают энергию при переходе в основное состояние. Особенно важны процессы в линии Лаймана-альфа водорода (121,6 нм) и линии кислорода (130,4 и 135,6 нм).

Излучение в ультрафиолетовом диапазоне фиксируется приборами на спутниках и используется для изучения солнечной активности и состояния ионосферы.

Сумеречное свечение

Сумеречное свечение представляет собой переходную форму между дневным и ночным. При заходе Солнца ультрафиолетовое и видимое излучение продолжают возбуждать атмосферные компоненты на больших высотах, несмотря на то, что наблюдатель на поверхности уже не видит Солнца. Наиболее заметными являются:

• Продолжение процессов фотоэмиссии в высоких слоях.
• Распределённое люминесцентное свечение от остатков возбужденных частиц.

Сумеречное свечение особенно важно для диагностики термосферных и мезосферных процессов в условиях быстро меняющейся освещённости.

Полярное сияние и его отличие

Полярное сияние часто путают с ночным свечением, однако их природа различна. Полярное сияние обусловлено взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой Земли, в результате чего потоки заряженных частиц попадают в верхнюю атмосферу вблизи магнитных полюсов и вызывают сильное свечение за счёт возбуждения атомов и молекул. В отличие от равномерного свечения атмосферы, полярные сияния имеют выраженную структуру, динамику и пространственную локализацию.

Спектральные характеристики

Свечение атмосферы имеет сложный спектральный состав, охватывающий от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Важнейшие составляющие:

• Зелёная линия кислорода (557,7 нм) — основная компонента ночного свечения.
• Красные линии кислорода (630,0 и 636,4 нм) — наблюдаются на больших высотах (~250 км).
• Ленты гидроксильного радикала OH — серия полос в ближнем ИК-диапазоне, начиная с 650 нм и до 3 мкм.
• Излучение молекул O₂ — наблюдаются слабые полосы в видимом и УФ-диапазоне.

Изучение спектров атмосферного свечения позволяет получать информацию о плотности, температуре, скорости ветров и химическом составе верхней атмосферы.

Вертикальное распределение

Свечение атмосферы варьируется по высоте. В целом можно выделить несколько характерных слоёв:

• На высоте 80–100 км: максимум излучения гидроксильного радикала OH.
• На высоте 90–100 км: зелёная линия кислорода.
• На высоте ~250 км: красная линия кислорода (630,0 нм).
• На высоте 100–200 км: рекомбинационное и хемилюминесцентное излучение молекулярного кислорода.

Вертикальное распределение зависит от солнечной активности, времени суток, широты, сезона и геомагнитных условий.

Флуктуации и вариации свечения

Свечение атмосферы подвержено значительным временным и пространственным вариациям:

• Суточные колебания связаны с чередованием процессов ионизации и рекомбинации.
• Сезонные вариации отражают изменения химического состава и температуры верхней атмосферы.
• Геомагнитная активность может усиливать свечение, особенно в полярных и субполярных широтах.
• Гравитационные волны и атмосферные приливы могут модулировать интенсивность свечения, создавая полосчатые структуры.

Фиксация этих вариаций важна для изучения динамики атмосферы и пространственно-временного распределения энергетических потоков.

Методы наблюдения и регистрации

Для регистрации свечения атмосферы используются различные методы:

• Фотометрия — измерение интенсивности излучения в определённых спектральных диапазонах.
• Спектроскопия — регистрация спектров свечения позволяет идентифицировать химический состав и состояние возбуждённых частиц.
• Томография — спутниковые и наземные данные объединяются для восстановления трёхмерной структуры свечения.
• Измерения с помощью спутников — регистрация ультрафиолетового и инфракрасного излучения с орбиты.
• Наблюдения с помощью оптических систем на высокогорных станциях — позволяют избежать влияния тропосферной мутности.

Использование современных методов обработки, включая инверсные задачи и машинное обучение, значительно повышает точность реконструкции процессов, происходящих в верхней атмосфере.

Значение и применение

Свечение атмосферы — это не только объект фундаментальных исследований, но и важный диагностический инструмент:

• Позволяет отслеживать изменения в составе и температуре мезо- и термосферы.
• Используется для мониторинга солнечной активности и геомагнитных бурь.
• Даёт информацию о глобальной циркуляции в верхней атмосфере.
• Применяется для калибровки астрономических наблюдений.

Изучение свечения атмосферы имеет большое значение для моделирования климата, радиосвязи, а также для навигационных и космических технологий.