1.1 Искусственное оптическое свечение ионосферы

Свечение ионосферы в оптическом диапазоне, связанное с воздействием мощных радиоволн широко исследуется в экспериментах. Искусственное оптическое излучение возникает в результате возбуждения соответствующих уровней атомов, молекул и ионов при столкновениях с электронами, энергия которых превышает потенциал возбуждения соответствующих линий, и по измерениям такого излучения можно судить о функции распределения и концентрации электронов, ускоренных плазменными волнами, возникающими в результате воздействия. Измерения искусственного оптического свечения проводятся также для изучения крупномасштабной структуры возмущенной области, а также сравнения эффективности возбуждения свечения в различных линиях [9].

Первые исследования естественного свечения атмосферы проводились лордом Рэлеем в 20-х годах прошлого века. В его честь в 1956 году была названа внесистемная единица измерения поверхностной яркости свечения. Интенсивность излучения 1 R соответствует эмиссии 106 фотонов за одну секунду в столбе сечением 1 смІ. Интенсивность в рэлеях численно равна световому потоку (выражаемому в миллионах фотонов в секунду), приходящему на 1 смІ нормальной к лучу зрения площадки из телесного угла в один стерадиан.Для изучения крупномасштабной структуры возмущенной области с помощью искусственного оптического свечения и сравнения эффективности возбуждения свечения в различных линиях используются цифровые видео- и фотокамеры с широким обзором, c помощью которых получают «портреты» ночного неба. Основные измерения проводятся в красной (630 нм) и зеленой (557.7) линиях атомарного кислорода, связанных с излучением уровней O(¹D) и O(¹S) с энергиями возбуждения 1.96 и 4.17 эВ и временами жизни 107 с и 0.7 с, соответственно.

В ходе фотохимических реакций в верхней атмосфере могут испускаться кванты излучения в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной частях спектра. Соответствующие эмиссии и составляют свечение атмосферы, которое наблюдается на всех широтах и является фактически постоянным. В основном оно вызывается солнечным, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Несмотря на то, что свечение имеет место всегда, его трудно наблюдать днем. Ночью же оно дает основной вклад в общее свечение неба, превышая суммарную светимость звезд. Искусственное оптическое свечение появляется, как уже указывалось, вследствие появления возбужденных частиц при столкновениях атомов, молекул или ионов с энергичными электронами, ускоренными плазменными волнами или нагретыми до соответствующих температур.

В основном атмосферные эмиссии обуславливаются наличием возбужденных частиц и их последующим переходом в основное состояние. Непосредственными причинами являются несколько процессов, в частности следующие:

· В реакциях радиоактивной рекомбинации испускаются кванты излучения;

· Продукты реакции часто находятся в возбужденном состоянии, а затем высвечиваются при переходе в основное состояние;

· Возбужденные частицы могут быть образованы при столкновении с энергичными электронами, возникающими при ионизации и в электрических полях;

· Возбуждение частиц может быть обусловлено действием солнечного излучения, дающего резонансные эмиссии.

Характеристики основных эмиссий, в порядке возрастания порогов возбуждения, приведены в Таблице 1. Зависимости соответствующих сечений возбуждения от энергии электронов, показаны на рисунке 1.

Таблица 1. Характеристики основных эмиссий.

Рис.1. Сечения возбуждения основных эмиссий искусственного свечения. По горизонтальной оси - энергия ударяющих электронов в эВ, по вертикальной оси - сечения в см². 1 - O(¹D), 2 - O(¹S), 3 - B³?_g (1РN₂), 4 - система 2PN₂, 5 - B²?⁺_u (1NN₂⁺).

Важная группа линий - это эмиссии атомарного кислорода. Схема переходов, представленная на рисунке 2, объясняет сильную зеленую линию 557.7 нм и дублет красной линии 630.0/636.4 нм (фактически триплет, но третья линия 639.1 нм очень слаба). Атомарный кислород в состоянии ¹S переходит в основное состояние в два этапа; длительность первого этапа составляет 0.74 секунды, и длительность второго, когда излучается красная линия, - 101 секунда, линия 297.2 нм, получающаяся при прямом переходе в основное состояние, слишком слаба, чтобы представлять интерес. Если в первый момент атом находится в состоянии ¹D, то излучаться может лишь красная линия.

В F-области ионосферы возбужденные атомы образуются в реакции диссоциативной рекомбинации. Выделяется энергия около 7 эВ и возбужденные атомы могут находится в состоянии ¹S или ¹D. Обнаружено, что интенсивность линии 630.0 нм тесно связана с измеряемыми в области F параметрами. Линии 557.7 нм и 630.0/636.4 нм - это основные линии, которые наблюдаются в экспериментах по воздействию мощным КВ радиоизлучением на ионосферу. Кроме того, в экспериментах на стендах HAARP и EISCAT уверенно зарегистрированы эмиссии в длинах волн 844.6 нм с порогом возбуждения 10.99 эВ, и 427.8 нм с порогом возбуждения 18 эВ.

Рис.2. Схема переходов при излучении атомарного кислорода.