Фотометрия и моделирование излучений полярных сияний

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

В диссертации рассматривается широкий круг вопросов, связанных с изучением свечения полярного сияния на основе экспериментальных данных и моделирования авроральных процессов. Предметами исследований являются: свечение полярного сияния в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, состав полярной атмосферы, физико-химическое взаимодействие составляющих возбужденной ионосферы, пространственная структура авроральных дуг, динамика и диагностика характеристик потоков высыпающихся во время полярного сияний частиц.

Актуальность темы

.

С началом космической эры практическая деятельность человечества все чаще вторгается в магнитосферу и ионосферу, превращая их в среду обитания человека. Проблема повышение надежности радиосвязи, обеспечение работоспособности спутниковых систем и радиационной безопасности является важнейшей прикладной задачей, решение которой невозможно без фундаментальных исследований физических процессов в ближнем космосе. Особый интерес представляет изучение возмущений в магнитосферно-ионосферной системе, «зеркалом» которых являются полярные сияния. Яркость, спектр, структура и геометрическая форма полярных сияний напрямую зависят от характеристик вторгающихся в ионосферу потоков электронов и протонов магнитосферного и солнечного происхождения, вызывающих сложную динамику физико-химических процессов. Комплексное изучение полярных сияний дает нам информацию как о структуре и составе полярной ионосферы, так и о процессах, происходящих внутри магнитосферы.

Процессы, протекающие в полярной ионосфере, оказывают влияние и на состояние ионосферы на других широтах. Поэтому диагностика состояния полярной ионосферы является одной из ключевых в проблеме глобального контроля и прогноза состояния геосферы Земли. Для эффективной диагностики необходимо построение физико-химической модели возмущенной полярной ионосферы, учитывающей взаимодействие основных и малых составляющих ионосферы и позволяющей моделировать излучение полярных сияний. Главным источником излучения в ультрафиолетовом диапазоне 1200−1800 А является система молекулярного азота Лаймана-Берджа-Хопфилда. Построение теоретической модели излучения этой системы полос важно еще и потому, что ультрафиолетовая область спектра является рабочей для оптических и спектрометрических приборов, установленных на спутниках типа DE или Viking.

В видимой области спектра наиболее известными являются эмиссии N2+ 4278 A, OI 5577 А, 01 6300 А. Источник эмиссий 5577 А и 6300 Авозбужденный атомарный кислородиграет важную роль в физико-химическом процессе, происходящем во время полярных сияний. Количество возбужденных атомов 0(!S) и O ('D) напрямую зависит от атомарного кислорода и окиси азота, о содержании которых в возмущенной атмосфере до сих пор нет однозначного мнения. Интенсивность эмиссии 4278 А в полярных сияниях зависит от величины потока и от средней энергии высыпающихся частиц. Поэтому измерения абсолютных интенсивн остей и отношений интенсивностей основных авроральных эмиссий могут быть использованы как для диагностики параметров высыпающегося потока электронов, так и для оценки концентраций атмосферных газов.

Спектрометрические измерения полярных сияний являются важным методом экспериментального исследования в магнитосферно-ионосферной физике. Анализ экспериментально полученных авроральных спектров предполагает в первую очередь разделение суммарного спектра на полосы и линии, соответствующие конкретным радиационным переходам. Для решения этой задачи необходимо владение методикой расчета синтетических спектров в широком диапазоне длин волн.

Развивающаяся в последнее время оптическая томография является сравнительно новым методом исследования полярных сияний, позволяющим восстановить пространственную структуру аврорального излучения. И хотя работы в этой области ведутся достаточно активно, результатов томографических исследований авроральных событий как таковых мало. Проведенный в ПГИ томографический эксперимент, направленный на изучение пространственно-временной структуры полярных сияний и параметров высыпающихся потоков электронов, является одним из звеньев в цепочке томографических экспериментов.

Цель работы.

Целью данной работы является исследование эмиссий полярных сияний в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, изучение динамики характеристик аврорального свечения и параметров высыпающихся во время ионосферных возмущений потоков энергичных частиц. В соответствии с целью ставились следующие задачи:

— построение модели излучения системы Лаймана-Берджа-Хопфилда (LBH) молекулярного азота в электронных и протонных полярных сиянияхисследование механизмов возбуждения и дезактиваци уровня a’llg молекулярного азотасоздание математической модели вычисления интенсивности LBH эмиссийапробация модели на имеющихся экспериментальных данныхисследование возможности диагностики характеристик высыпающихся во время полярных сияний потоков частиц по интенсивности LBH эмиссий;

— построение алгоритма расчета синтетических спектров излучения полярных сияний на примере излучения систем молекулярного азотаисследование зависимости формы спектров от ионосферных условий;

— построение физико-химической модели авроральной ионосферы, позволяющей рассчитать концентрации её нейтральных и возбужденных компонентмоделирование на основе физико-химической модели излучения основных авроральных эмиссий: 4278 А, 5577 А, 6300 А;

— исследование поведения отношений интенсивностей эмиссий 4278 А, 5577 А, 6300. А по данным сканирующих фотометров, работавших на Кольском полуострове в течение сезонов 1998;2000гг;

— исследование на основе данных оптического томографического эксперимента 1999 г пространственной структуры дуг полярного сияниявосстановление энергетических спектров высыпающихся электроновисследование меридионального поведения характеристик излучения и параметров высыпающихся электронных потоков;

Научная новизна.

— Создана модель излучения LBH полос в полярных сияниях, которая позволяет рассчитать картину свечения LBH полос для произвольно заданного источника электронов или протонов. В модели учитываются возбуждение терма a’llg посредством межсистемных переходов, дезактивация возбужденного молекулярного азота атмосферными газами, эффекты поглощения LBH излучения молекулярным кислородом и азотом. Для расчета высотных профилей скоростей возбуждения атмосферных газов используется метод, который устанавливает простую связь между произвольно заданным начальным спектром высыпающихся частиц и скоростью возбуждения. В рамках созданной модели исследовано влияние межсистемных переходов и столкновительной дезактивации на интенсивность излучения LBH полос.

— Создана физико-химическая модель возбужденной ионосферы, позволяющая рассчитывать концентрации следующих нейтральных и ионизированных компонент: 02+, N2+, О+(4S), 0+(2D), 0+(2Р), 0(]D), O ('S),.

N (4S), N (2D), N (2P), NO, NO+, N+, N2(A) и концентрацию электронов в условиях полярных сияний. Модель включает в себя 54 химические реакции, влияющих на концентрации перечисленных компонент.

— В результате исследования поведения отношений I5577 /I4278 в зависимости от интенсивности эмиссии 4278 А по данным сканирующих фотометров получено, что отношение I5577/I4278 имеет тенденцию к возрастанию с ростом интенсивности эмиссии 4278 А в исследованном диапазоне 0.151.7 кР.

— Впервые в России Полярным геофизическим институтом проведен уникальный эксперимент по оптической томографии полярных сияний с использованием трех меридиональных сканирующих фотометров. В результате обработки экспериментальных данных восстановлено пространственное распределение интенсивностей эмиссий 4278 А и 5577 А, определены параметры характеристик высыпающихся потоков частиц, выявлены особенности меридионального поведения характеристик излучения и параметров высыпающегося потока электронов в спокойных дугах полярных сияний.

— Предложена аналитическая неимпульсная модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5577 А, которая позволяет связать между собой наблюдаемые параметры авроральных пульсаций с физико-химическими процессами, и по сути, может являться методикой диагностики этих процессов.

На защиту выносятся:

1. Модель излучения системы молекулярного азота.

2. Поведения отношений I6300/I4278 интенсивности эмиссии 4278 А. полос Лаймана-Берджа-Хопфилда и I5577 /I4278 в зависимости от.

3. Особенности меридионального распределения интенсивности эмиссий 4278 А, 5577 А и характеристик высыпающихся электронов в спокойных дугах полярных сияний по данным оптического томографического эксперимента 10−11 февраля 1999 г.

Практическая значимость работы.

Разработанная в диссертации модель излучения полос системы Лаймана-Берджа-Хопфилда молекулярного азота представляет собой составную часть глобальной математической модели излучений полярных сияний. Полученные с помощью этой модели результаты позволяют усовершенствовать знания о LBH системе и использовать её как одно из средств дистанционной диагностики высокоширотной ионосферы космическими оптическими средствами.

Синтетические спектры используются в авроральных и лабораторных исследованиях, включающих в себя спектральную идентификацию экспериментально полученных спектров, нахождение вращательных температур молекул и сечений возбуждения атмосферных газов.

Созданная физико-химическая модель возбужденной ионосферы позволяет рассчитывать концентрации 14-ти нейтральных и ионизированных составляющих ионосферы и концентрацию электронов, а также моделировать на её основе излучение основных авроральных эмиссий полярных сияний.

Методика восстановления энергетических спектров по экспериментально полученным высотным профилям интенсивности авроральных эмиссий позволяет получать параметры высыпающегося во время полярного сияния потока электронов.

Полученные на статистически большом экспериментальном материале зависимости отношений 1бз<�х/Ц278 и I5577/I4278 от интенсивности эмиссии 4278 А, так же, как и информация, установленная в ходе оптического томографического эксперимента 10−11 февраля 1999 г., полезны для исследования происходящих во время полярных сияний ионосферных процессов и природы ионосферно-магнитосферных связей.

Предложенная аналитическая неимпульсная модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5577 А позволяет по параметрам наблюдаемых авроральных пульсаций определять физико-химические процессы, участвующие в образовании возбужденных атомов кислорода.

Реализация результатов:

Результаты моделирования излучения системы Лаймана-Берджа-Хопфилда в полярных сияниях были использованы другими исследователями при изучении свечения LBH полос в полярных сияниях. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы при разработке моделей излучения ионосферы, а также при исследовании физических процессов, происходящих в ионосфере и магнитосфере, в таких учреждениях, как ИКИ, ИЗМИРАН, С-Пб.ГУ, ГОИ, ИГТГ и др.

Апробация работы.

Результаты исследований представлялись на международных конференциях по оптическим методам исследования атмосферы в г. Тромсе (Норвегия) 1990 г., г. Кируне (Швеция) 1991 г., г. Стокгольме (Швеция) 2000 г., г. Эмблисанде (Великобритания) 2004 г., на XIX Генеральной Ассамблее EGS в г. Гренобль (Франция) 1994 г., на ежегодных семинарах «Физика авроральных явлений» г. Апатиты (Россия) 1993, 2000,2001,2002 гг., на интернациональной конференции по суббурям в г. Леви (Финляндия) 2004 г., на интернациональном симпозиуме в г. Бостон (США) 2001 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Общий объем 145 стр., включая 34 рисунка, 4 таблицы, библиографию из 143 наименований.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Создана численная модель излучения полос системы Лаймана-Берджа-Хопфилда в электронных и протонных полярных сияниях, которая позволяет рассчитать картину свечения LBH полос для произвольно заданного источника частиц.

Численно показано: а) в авроральных условиях в возбуждении терма а1 Пё участвуют как прямой удар энергичной частицей, так и межсистемные переходы между уровнями а1 Пё, a''Eu, w! Auб) изменение интенсивности полос LBH вследствие столкновительной дезактивации N2(a1ng) становится существенным (-10%) в случае больших характеристических энергий электронов (>10 кэВ) — в) для высыпаний протонов с характеристической энергией <10 кэВ главный вклад в возбуждение LBH полос вносят Н-атомы, роль вторичных электронов становится главенствующей на характеристических энергиях >15 кэВг) в случае электронных высыпаний отношение интенсивностей двух полос LBH, имеющих разную степень поглощения молекулярным кислородом, изменяется в 4 раза в интервале характеристической энергии электронов 0.110 кэВ и может быть использовано для определения средней энергии высыпающихся электроновд) в случае протонных высыпаний для определения характеристической энергии может быть использовано отношение интенсивностей эмиссии Hp и LBH полосы, которое изменяется в 20−30 раз в диапазоне характеристических энергий протонов 1−32 кэВ.

2. Предложен алгоритм расчета синтетических спектров излучения полярных сияний. Входными параметрами в этом алгоритме являются: модель нейтральной атмосферы, начальные параметры высыпающихся частиц, расстояние от источника свечения до регистрирующего это излучение прибора, спектральное разрешение регистрирующего прибора.

3. Создана физико-химическая модель возбужденной полярной ионосферы, позволяющая рассчитывать концентрации следующих нейтральных и ионизированных компонент: 02+, N2+, 0+(4S), 0+(2D), 0+(2Р), O ('D), CK’S), N (4S), N (2D), N (2P), NO, NO+, N+, N2(A3Iu+) и концентрацию электронов в условиях полярных сияний для произвольно заданного источника высыпающихся частиц.

4. Исследовано поведение отношений 1бзос/14 278 и I5577/I4278 от интенсивности эмиссии 4278 А. Получено, что величина отношения Ьзос/Ьшв уменьшается с 2 до 0.4 с ростом интенсивности эмиссии 4278 А от 0.1 до 3 кР. Величина отношения I5577/I4278 с ростом интенсивности эмиссии 4278 А в исследованном диапазоне 0.15 -1.7 кР имеет тенденцию к возрастанию и принимает значения 4.2 — 6.4. Полученные значения и характер изменения отношения I5577/I4278 показывают, что в типичных ночных полярных сияниях концентрация NO в максимуме высотного профиля в среднем составляет 108 см" 3.

5. По данным оптического томографического эксперимента исследована пространственная структура интенсивности свечения и параметров высыпающихся потоков в спокойных дугах полярного сияния. Найдены особенности поведения характеристик излучения и параметров высыпающегося потока электронов вдоль меридиана внутри всего аврорального образования на линейных масштабах порядка 140 км: характерной особенностью является тенденция к уменьшению высоты максимума объемной интенсивности излучения в направлении с юга на север на 4−8 км, что соответствует увеличению средней энергии электронов в направлении с юга на север вдоль меридиана на 2−4 кэВ. Найдены особенности поведения характеристик интенсивностей излучения и параметров высыпающегося потока электронов вдоль меридиана внутри отдельно взятой дуги: характерной особенностью является структура, имеющая вид перевернутого «V», наблюдаемая в изменении вдоль меридиана средней энергии и соответсвующее «V» -образное изменение поперек дуги высоты максимальной интенсивности свечения.

6. Предложена аналитическая неимпульсная модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5577 А, которая позволяет связать между собой наблюдаемые параметры авроральных пульсаций с физико-химическими процессами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.