stringtranslate.com

Свечение воздуха

Свечение воздуха над Овернью, Франция
Желтые, зеленые и красные полосы свечения атмосферы вдоль края Земли, вид из космоса.

Свечение воздуха (также называемое ночным свечением ) — это слабое излучение света планетарной атмосферой . В случае атмосферы Земли 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 устранены. Это явление возникает из-за самосветящихся газов и не имеет никакого отношения к магнетизму Земли или активности солнечных пятен .

История

Явление свечения воздуха было впервые обнаружено в 1868 году шведским физиком Андерсом Ангстремом . С тех пор его изучали в лабораторных условиях, и наблюдалось, что различные химические реакции испускают электромагнитную энергию как часть этого процесса. Ученые определили некоторые из тех процессов, которые могут присутствовать в атмосфере Земли, и астрономы подтвердили, что такие выбросы присутствуют. Саймон Ньюкомб был первым человеком, который научно изучил и описал свечение воздуха в 1901 году. [1]

Свечение воздуха существовало в доиндустриальном обществе и было известно древним грекам. « Аристотель и Плиний описали феномен каньона , который можно частично определить как полярные сияния, а частично как яркие ночи с свечением воздуха». [2]

Описание

Типы и слои свечения атмосферы над Землей

Свечение воздуха вызывается различными процессами в верхней атмосфере Земли , такими как рекомбинация атомов, которые были фотоионизированы Солнцем в течение дня, люминесценция, вызванная космическими лучами, падающими на верхние слои атмосферы, и хемилюминесценция, вызванная в основном реакцией кислорода и азота с гидроксильными свободными радикалами на высоте нескольких сотен километров. Оно не заметно в дневное время из-за бликов и рассеивания солнечного света .

Даже в лучших наземных обсерваториях свечение атмосферы ограничивает светочувствительность оптических телескопов . Отчасти по этой причине космические телескопы, такие как Хаббл, могут наблюдать гораздо более слабые объекты, чем современные наземные телескопы в видимом диапазоне длин волн .

Свечение воздуха ночью может быть достаточно ярким для того, чтобы его заметил наземный наблюдатель, и выглядит в целом голубоватым. Хотя излучение свечения воздуха довольно равномерно по всей атмосфере, оно кажется наиболее ярким примерно на 10° выше горизонта наблюдателя , поскольку чем ниже он смотрит, тем большую массу атмосферы он видит. Однако очень низко атмосферное затухание уменьшает видимую яркость свечения воздуха.

Один из механизмов свечения воздуха заключается в том, что атом азота соединяется с атомом кислорода , образуя молекулу оксида азота (NO). В процессе испускается фотон . Этот фотон может иметь любую из нескольких различных 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 сталкиваться друг с другом, образуя NO. Другими химическими веществами, которые могут создавать свечение воздуха в атмосфере, являются гидроксил (OH), [3] [4] [5] атомарный кислород (O), натрий (Na) и литий (Li). [6]

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

Расчет

Свечение атмосферы в виде розовато-оранжевой линии натрия на расстоянии чуть ниже ста километров и слабой зеленой линии на границе космоса и нижнего края термосферы ( невидимой), зажатой между зелеными и красными полосами полярных сияний, простирающимися на несколько сотен километров вверх, и розовой мезосферой , белой и голубой стратосферой , а также оранжевым тропосферным послесвечением и силуэтами облаков внизу.

Для того чтобы вычислить относительную интенсивность свечения атмосферы, нам нужно преобразовать видимые величины в потоки фотонов; это, очевидно, зависит от спектра источника, но мы проигнорируем это изначально. 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 величин в потоки – S 0 ( V ) =4,0 × 10 −12  Вт⋅см −2 ⋅мкм −1 . [7] Если мы возьмем пример звезды V = 28, наблюдаемой через обычный фильтр полосы V ( B =Полоса пропускания 0,2 мкм , частота ν ≈6 × 10 14  Гц ), число фотонов, которые мы получаем от источника на квадратный сантиметр апертуры телескопа в секунду, составляет N с :

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

В диапазоне V излучение от свечения атмосферы составляет V = 22 на квадратную угловую секунду в высокогорной обсерватории в безлунную ночь; в отличных условиях видимости изображение звезды будет иметь размер около 0,7 угловой секунды в поперечнике с площадью 0,4 квадратной угловой секунды, и поэтому излучение от свечения атмосферы по площади изображения соответствует примерно V = 23. Это дает число фотонов от свечения атмосферы, N a :

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

Если предположить, что диаметр идеального наземного телескопа составляет 10 м, а звезда неразрешена: каждую секунду на участке размером с увеличенное изображение звезды от звезды прибывает 35 фотонов, а от свечения воздуха — 3500. Таким образом, за час, примерно1,3 × 10 7 поступают из свечения воздуха, и приблизительноИз источника поступает 1,3 × 10 5 ; поэтому отношение сигнал / шум составляет около:

Мы можем сравнить это с «реальными» ответами калькуляторов времени экспозиции. Для 8-метрового телескопа Very Large Telescope , согласно калькулятору времени экспозиции FORS, требуется 40 часов времени наблюдения, чтобы достичь V = 28 , в то время как 2,4-метровому телескопу Hubble требуется всего 4 часа, согласно калькулятору времени экспозиции ACS. Гипотетическому 8-метровому телескопу Hubble потребуется около 30 минут.

Из этого расчета должно быть ясно, что уменьшение размера поля зрения может сделать более слабые объекты более заметными на фоне свечения атмосферы; к сожалению, адаптивные оптические методы, которые уменьшают диаметр поля зрения наземного телескопа на порядок величины, пока работают только в инфракрасном диапазоне, где небо намного ярче. Космический телескоп не ограничен полем зрения, поскольку на него не влияет свечение атмосферы.

Индуцированное свечение воздуха

Два снимка неба над объектом HAARP в Гаконе с использованием охлаждаемого NRL ПЗС-датчика на длине волны 557,7 нм. Поле зрения составляет приблизительно 38°. На левом снимке показано фоновое звездное поле с выключенным ВЧ-передатчиком. Правое изображение было сделано через 63 секунды с включенным ВЧ-передатчиком. В области излучения видна структура.

Были проведены научные эксперименты по индуцированию свечения атмосферы путем направления мощных радиоизлучений на ионосферу Земли . [8] Эти радиоволны взаимодействуют с ионосферой, вызывая слабый, но видимый оптический свет на определенных длинах волн при определенных условиях. [9] Эффект также наблюдается в радиочастотном диапазоне с использованием ионозондов .

Экспериментальное наблюдение

SwissCube-1 — швейцарский спутник, эксплуатируемый Федеральной политехнической школой Лозанны . Космический аппарат представляет собой единый блок CubeSat , который был разработан для проведения исследований свечения атмосферы Земли и разработки технологий для будущих космических аппаратов. Хотя SwissCube-1 довольно мал (10 см × 10 см × 10 см) и весит менее 1 кг, он несет небольшой телескоп для получения изображений свечения атмосферы. Первое изображение SwissCube-1 было получено 18 февраля 2011 года и было довольно черным с некоторым тепловым шумом на нем. Первое изображение свечения атмосферы было получено 3 марта 2011 года. Это изображение было преобразовано в человеческий оптический диапазон (зеленый) из его ближнего инфракрасного измерения. Это изображение обеспечивает измерение интенсивности явления свечения атмосферы в ближнем инфракрасном диапазоне . Диапазон измерений составляет от 500 до 61400 фотонов с разрешением 500 фотонов. [10]

Наблюдение за свечением атмосферы на других планетах

Космический аппарат Venus Express содержит инфракрасный датчик, который обнаружил ближние ИК-излучения из верхних слоев атмосферы Венеры . Излучения происходят от оксида азота (NO) и молекулярного кислорода. [11] [12] Ученые ранее определили в лабораторных испытаниях, что во время производства NO производятся ультрафиолетовые и ближние ИК-излучения. УФ-излучение было обнаружено в атмосфере, но до этой миссии ближние ИК-излучения, производимые атмосферой, были только теоретическими. [13]

Галерея

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ MGJ Minnaert, De natuurkunde van 't vrije veld , Часть 2: Гелеобразная, теплая, электрическая жидкость . § 248: Het ionosfeerlicht
  2. ↑ Науки о Земле. Энциклопедия событий, людей и явлений , 1998, Garland Publishing, стр. 35, через Google Books, дата доступа 25 июня 2022 г.
  3. ^ Meinel, AB (1950). "OH Emission Bands in the Spectrum of the Night Sky I". Astrophysical Journal . 111 : 555. Bibcode : 1950ApJ...111..555M. doi : 10.1086/145296.
  4. ^ AB Meinel (1950). "OH Emission Bands in the Spectrum of the Night Sky II". Astrophysical Journal . 112 : 120. Bibcode : 1950ApJ...112..120M. doi : 10.1086/145321 .
  5. ^ Хай, Ф. У.; и др. (2010). «Изменчивость неба в полосе y на сайте LSST». Публикации Астрономического общества Тихого океана . 122 (892): 722–730. arXiv : 1002.3637 . Bibcode :2010PASP..122..722H. doi :10.1086/653715. S2CID  53638322.
  6. ^ Донахью, ТМ (1959). «Происхождение натрия и лития в верхней атмосфере». Nature . 183 (4673): 1480–1481. Bibcode :1959Natur.183.1480D. doi :10.1038/1831480a0. S2CID  4276462.
  7. ^ Астрофизика высоких энергий: частицы, фотоны и их обнаружение, том 1, Малкольм С. Лонгэр, ISBN 0-521-38773-6 
  8. ^ Высокочастотное свечение воздуха в магнитном зените: Тепловые и параметрические неустойчивости вблизи электронных гирогармоник. EV Mishin et al., Geophysical Research Letters Vol. 32, L23106, doi :10.1029/2005GL023864, 2005
  9. ^ Обзор NRL HAARP Архивировано 5 марта 2009 г. на Wayback Machine . Военно-морская исследовательская лаборатория .
  10. ^ Официальный сайт SwissCube
  11. ^ Гарсия Муньос, А.; Миллс, Ф. П.; Пиччони, Г.; Дроссарт, П. (2009). «Ночное свечение оксида азота в ближнем инфракрасном диапазоне в верхней атмосфере Венеры». Труды Национальной академии наук . 106 (4): 985–988. Bibcode : 2009PNAS..106..985G. doi : 10.1073/pnas.0808091106 . ISSN  0027-8424. PMC 2633570. PMID 19164595  . 
  12. ^ Piccioni, G.; Zasova, L.; Migliorini, A.; Drossart, P.; Shakun, A.; García Muñoz, A.; Mills, FP; Cardesin-Moinelo, A. (1 мая 2009 г.). "Ночное свечение кислорода в ближнем ИК-диапазоне, наблюдаемое VIRTIS в верхней атмосфере Венеры". Journal of Geophysical Research: Planets . 114 (E5): E00B38. Bibcode : 2009JGRE..114.0B38P. doi : 10.1029/2008je003133 . ISSN  2156-2202.
  13. ^ Уилсон, Элизабет (2009). «Планетарная наука – Спектральная полоса в «ночном свечении» Венеры позволяет изучать NO, O». Chemical & Engineering News . 87 (4): 11. doi :10.1021/cen-v087n004.p011a. ISSN  0009-2347.
  14. ^ "La Silla's Great Dane". www.eso.org . Получено 26 марта 2018 г. .
  15. ^ "Anything But Black". www.eso.org . Получено 20 сентября 2016 г. .
  16. ^ "Austrian Software Tools Developed for ESO". www.eso.org . Европейская южная обсерватория . Получено 6 июня 2014 г. .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Airglow .