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 .
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]
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.
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.
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 .
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]
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]