stringtranslate.com

Свечение воздуха

Свечение воздуха над платформой VLT [1]
Свечение воздуха, вид с помощью камеры с высокой апертурой и зумом, установленной на Международной космической станции , находящейся на орбите над Южной Африкой. Высота этой полосы ионов кислорода и натрия составляет примерно 110–140 км (68–87 миль) ( около линии Кармана ) , между мезосферой и термосферой .

Свечение воздуха (также называемое ночным свечением ) — это слабое излучение света атмосферой планеты . В случае с земной атмосферой это оптическое явление приводит к тому, что ночное небо никогда не бывает полностью темным, даже после того, как эффекты звездного света и рассеянного солнечного света с дальней стороны удалены. Это явление возникает из-за самосветящихся газов и не имеет никакой связи с земным магнетизмом или активностью солнечных пятен .

История

Свечение воздуха над Овернью, Франция

Явление свечения воздуха было впервые обнаружено в 1868 году шведским физиком Андерсом Ангстремом . С тех пор его изучали в лаборатории, и в рамках этого процесса наблюдались различные химические реакции с выделением электромагнитной энергии. Ученые определили некоторые из тех процессов, которые будут присутствовать в атмосфере Земли, а астрономы подтвердили наличие таких выбросов. Саймон Ньюкомб был первым человеком, который научно изучил и описал свечение воздуха в 1901 году. [2]

Свечение воздуха существовало еще в доиндустриальном обществе и было известно еще древним грекам. «Аристотель и Плиний описывали явления Хасматы , которые можно идентифицировать частично как полярные сияния, а частично как яркие ночи свечения воздуха». [3]

Описание

Типы и слоистость свечения воздуха над Землей

Свечение воздуха вызвано различными процессами в верхних слоях атмосферы Земли , такими как рекомбинация атомов, фотоионизированных Солнцем в течение дня, люминесценция, вызванная космическими лучами, попадающими в верхние слои атмосферы, и хемилюминесценция , вызванная главным образом кислородом и азотом , реагирующими с гидроксилом . свободные радикалы на высоте нескольких сотен километров. Днем он не заметен из-за бликов и рассеяния солнечного света .

Даже в лучших наземных обсерваториях свечение воздуха ограничивает светочувствительность оптических телескопов . Частично по этой причине космические телескопы , такие как Хаббл , могут наблюдать гораздо более тусклые объекты, чем современные наземные телескопы в видимых длинах волн .

Свечение воздуха ночью может быть достаточно ярким, чтобы его заметил наземный наблюдатель, и обычно оно кажется голубоватым. Хотя свечение воздуха довольно равномерно по всей атмосфере, оно кажется наиболее ярким примерно на высоте около 10° над горизонтом наблюдателя , поскольку чем ниже человек смотрит, тем большую массу атмосферы он видит. Однако очень низко атмосферное затухание снижает видимую яркость свечения воздуха.

Один из механизмов свечения воздуха заключается в том, что атом азота соединяется с атомом кислорода , образуя молекулу оксида азота (NO). При этом испускается фотон . Этот фотон может иметь любую из нескольких длин волн, характерных для молекул оксида азота. Свободные атомы доступны для этого процесса, поскольку молекулы азота (N 2 ) и кислорода (O 2 ) диссоциируют под действием солнечной энергии в верхних слоях атмосферы и могут столкнуться друг с другом с образованием NO. Другими химическими веществами, которые могут создавать свечение воздуха в атмосфере, являются гидроксил (OH), [4] [5] [6] атомарный кислород (O), натрий (Na) и литий (Li). [7]

Яркость неба обычно измеряется в единицах видимой величины на квадратную угловую секунду неба.

Расчет

Два изображения неба над установкой HAARP в Гаконе с использованием ПЗС-матрицы с охлаждением NRL на длине волны 557,7 нм. Поле зрения составляет примерно 38°. На левом изображении показано звездное поле на заднем плане с выключенным ВЧ-передатчиком. Правое изображение было сделано через 63 секунды с включенным ВЧ-передатчиком. Структура очевидна в области эмиссии.

Чтобы рассчитать относительную интенсивность свечения воздуха, нам необходимо преобразовать видимые величины в потоки фотонов; это явно зависит от спектра источника, но сначала мы это проигнорируем. На видимых длинах волн нам нужен параметр S 0 (V), мощность на квадратный сантиметр апертуры и на микрометр длины волны, создаваемая звездой нулевой величины, для преобразования видимых звездных величин в потоки – S 0 (V) =4,0 × 10 -12  Вт см -2 мкм -1 . [8] Если мы возьмем пример звезды V = 28, наблюдаемой через обычныйполосовой фильтр V ( B =Полоса пропускания 0,2 мкм , частота ν ≈6 × 10 14  Гц ), количество фотонов, которые мы получаем на квадратный сантиметр апертуры телескопа в секунду от источника, равно N s :

(где h — постоянная Планка ; hν — энергия одиночного фотона частоты ν ).

В диапазоне V излучение свечения воздуха составляет V = 22 на квадратную угловую секунду на высотной обсерватории в безлунную ночь; в отличных условиях наблюдения изображение звезды будет иметь поперечник около 0,7 угловой секунды и площадь 0,4 квадратной угловой секунды, поэтому излучение свечения воздуха над областью изображения соответствует примерно V = 23 . Это дает количество фотонов свечения воздуха N a :

Отношение сигнал/шум для идеального наземного наблюдения с помощью телескопа площади A (без учета потерь и шума детектора), возникающее из статистики Пуассона , составляет всего:

Если мы предположим идеальный наземный телескоп диаметром 10 м и неразрешенную звезду: каждую секунду на участок размером с увеличенное изображение звезды от звезды прилетает 35 фотонов, а от свечения воздуха - 3500. Итак, около часа, примерно1,3 × 10 7 поступает от свечения и примерноот источника поступает 1,3 × 10 5 ; поэтому соотношение сигнал/шум составляет примерно:

Мы можем сравнить это с «реальными» ответами калькуляторов времени экспозиции. Для 8-метрового телескопа Очень Большого Телескопа , согласно калькулятору времени экспозиции ФОРС, необходимо 40 часов времени наблюдения, чтобы достичь V = 28, тогда как 2,4-метровому телескопу «Хаббл» по калькулятору времени экспозиции ACS требуется всего 4 часа. Гипотетическому 8-метровому телескопу «Хаббл» потребовалось бы около 30 минут.

Из этого расчета должно быть ясно, что уменьшение размера поля обзора может сделать более слабые объекты более заметными на фоне свечения воздуха; К сожалению, методы адаптивной оптики , уменьшающие диаметр поля зрения наземного телескопа на порядок, пока работают только в инфракрасном диапазоне, где небо намного ярче. Космический телескоп не ограничен полем зрения, поскольку на него не влияет свечение воздуха.

Индуцированное свечение воздуха

Первое изображение Земли в воздушном свечении Земли, сделанное SwissCube-1 (сдвинутое в зеленый цвет в ближнем ИК-диапазоне ), полученное 3 марта 2011 года.

Были проведены научные эксперименты по созданию свечения воздуха путем направления мощных радиоизлучений на ионосферу Земли . [9] Эти радиоволны взаимодействуют с ионосферой, вызывая слабый, но видимый оптический свет на определенных длинах волн при определенных условиях. [10] Эффект также можно наблюдать в радиочастотном диапазоне с использованием ионозондов .

Экспериментальное наблюдение

SwissCube-1 — швейцарский спутник, управляемый Федеральной политехнической школой Лозанны . Космический корабль представляет собой единый аппарат CubeSat , который был разработан для проведения исследований свечения воздуха в атмосфере Земли и разработки технологий для будущих космических кораблей. Хотя SwissCube-1 довольно мал (10 х 10 х 10 см) и весит менее 1 кг, он оснащен небольшим телескопом для получения изображений свечения воздуха. Первое изображение SwissCube-1 появилось 18 февраля 2011 года и было совершенно черным с некоторым тепловым шумом. Первое изображение свечения воздуха было получено 3 марта 2011 года. Это изображение было преобразовано в оптический диапазон человека (зеленый) на основе измерений в ближнем инфракрасном диапазоне. Это изображение обеспечивает измерение интенсивности явления свечения воздуха в ближнем инфракрасном диапазоне . Измеряемый диапазон составляет от 500 до 61400 фотонов , разрешение 500 фотонов. [11]

Наблюдение свечения воздуха на других планетах

Космический корабль « Венера -Экспресс» содержит инфракрасный датчик, который обнаруживает излучение в ближнем ИК-диапазоне из верхних слоев атмосферы Венеры . Выбросы происходят от оксида азота (NO) и молекулярного кислорода. [12] [13] Ранее в ходе лабораторных испытаний ученые установили, что при производстве NO возникают ультрафиолетовые и ближние ИК-излучения. УФ-излучение было обнаружено в атмосфере, но до этой миссии создаваемое атмосферой излучение в ближнем ИК-диапазоне было лишь теоретическим. [14]

Галерея

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Австрийские программные инструменты, разработанные для ESO». www.eso.org . Европейская южная обсерватория . Проверено 6 июня 2014 г.
  2. ^ MGJ Minnaert, De natuurkunde van 't vrije veld , Часть 2: Гелеобразная, теплая, электрическая жидкость . § 248: Het ionosfeerlicht
  3. ^ Науки о Земле, Энциклопедия событий, людей и явлений , 1998, Garland Publishing, стр. 35, через Google Книги, дата доступа 25 июня 2022 г.
  4. ^ Мейнель, AB (1950). «Полосы излучения OH в спектре ночного неба I». Астрофизический журнал . 111 : 555. Бибкод : 1950ApJ...111..555M. дои : 10.1086/145296.
  5. ^ AB Meinel (1950). «Полосы излучения OH в спектре ночного неба II». Астрофизический журнал . 112 : 120. Бибкод : 1950ApJ...112..120M. дои : 10.1086/145321 .
  6. ^ Высокий, FW; и другие. (2010). «Изменчивость неба в диапазоне y на сайте LSST». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 122 (892): 722–730. arXiv : 1002.3637 . Бибкод : 2010PASP..122..722H. дои : 10.1086/653715. S2CID  53638322.
  7. ^ Донахью, ТМ (1959). «Происхождение натрия и лития в верхних слоях атмосферы». Природа . 183 (4673): 1480–1481. Бибкод : 1959Natur.183.1480D. дои : 10.1038/1831480a0. S2CID  4276462.
  8. ^ Астрофизика высоких энергий: частицы, фотоны и их обнаружение, том 1, Малкольм С. Лонгэр, ISBN 0-521-38773-6 
  9. ^ ВЧ-индуцированное свечение воздуха в магнитном зените: тепловые и параметрические нестабильности вблизи электронных гирогармоник. Мишин Е.В. и др., Письма о геофизических исследованиях . 32, L23106, doi :10.1029/2005GL023864, 2005 г.
  10. ^ Обзор NRL HAARP. Архивировано 5 марта 2009 г. в Wayback Machine . Военно-морская исследовательская лаборатория .
  11. ^ Официальный сайт SwissCube
  12. ^ Гарсия Муньос, А.; Миллс, ФП; Пиччиони, Г.; Дроссарт, П. (2009). «Ночное свечение оксида азота в ближнем инфракрасном диапазоне в верхних слоях атмосферы Венеры». Труды Национальной академии наук . 106 (4): 985–988. Бибкод : 2009PNAS..106..985G. дои : 10.1073/pnas.0808091106 . ISSN  0027-8424. ПМЦ 2633570 . ПМИД  19164595. 
  13. ^ Пиччиони, Г.; Засова Л.; Мильорини, А.; Дроссарт, П.; Шакун, А.; Гарсиа Муньос, А.; Миллс, ФП; Кардезин-Мойнело, А. (1 мая 2009 г.). «Ночное свечение кислорода в ближнем ИК-диапазоне, наблюдаемое VIRTIS в верхних слоях атмосферы Венеры». Журнал геофизических исследований: Планеты . 114 (Е5): E00B38. Бибкод : 2009JGRE..114.0B38P. дои : 10.1029/2008je003133 . ISSN  2156-2202.
  14. ^ Уилсон, Элизабет (2009). «Планетология - Спектральный диапазон ночного свечения Венеры позволяет изучать NO, O». Новости химии и техники . 87 (4): 11. doi :10.1021/cen-v087n004.p011a. ISSN  0009-2347.
  15. ^ "Немецкий дог Ла Силья" . www.eso.org . Проверено 26 марта 2018 г.
  16. ^ «Все, кроме черного». www.eso.org . Проверено 20 сентября 2016 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме Airglow .