Свечение и ионизация метеорных атомов при их взаимодействии с атомами и молекулами атмосферы Кадыров, Абдулазиз Нематович

Введение к работе

Актуальность работы. Изучение метеоров в настоящее время является одним из эффективных методов решения ряда задач, имеющих как астрофизический, так и геофизический характер. Так, в частности, методами метеорной астрономии можно решить такие задачи как: изучение вопросов, связанных с взаимодействием метеорного вещества с атмосферой Земли, притоком метеорного вещества на Землю, изучение химического состава ме-теороидов, как образцов межпланетной материи и продуктов, разруления более крупных тел, ядер комет и астероидов.

К настоящему времени на основе совокупности полученных различными методами результатов накоплены достаточно обширные сведения как о физической природе метеорных частиц, так и их распределении в околоземном пространстве.

Следует отметить, что за этот период была значительно развита физическая теория метеоров и исследования приняли комплексный характер. При этих исследованиях используются практически все достижения современной физической науки. Применяются фотографические, радиолокационные, телевизионные, электронно-оптические и другие методы наблюдений метеоров, позволяющие взаимно дополнить друг друга и расширить круг информации, как об отдельных метеорных частицах, так и метеорных потоков в целом.

Однако ряд вопросов, связанных со свечением и ионизацией метеорных атомов при их взаимодействии с атомами и молекулами атмосферы Земли, до сего времени является окончательно не решенным. Примером тому являются нерешенность вопросов, касающихся взаимосвязи между коэффициентами эффективности излучений метеорных атомов и вероятностью их ионизации; интенсивностью свечения метеорных атомов и линейной электронной плотностью, уточнения эмпирической зависимости между абсолютной звездной величиной и линейной электронной плотностью метеоров и т.п.

Цель работы. Известно, что метеорные частицы вторгаются в атмосферу Земли со скоростями в десятки километров в

секунду и их энергия достигает несколько сот электронвольт. При таких энергиях столкновений метеорных атомов с атомами и молекулами атмосферы возможны различные виды взаимодействий частиц, в результате которых происходит свечение и ионизация метеорных атомов. Изучение этих процессов важно как с точки зрения физики метеоров, так и физики верхней атмосферы.

Процессы ионизации и свечения метеорных атмов связаны с соответствующими их функциями возбуждения и ионизации. Ряд имеющихся сведений по электронно-атомным столкновениям, основанные на квантово-механических приближениях, в данном случае, не могут быть использованы ввиду того, что, как правило, в них рассматриваются столкновения при сравнительно низких энергиях (порядка 10 4 200 эВ), в то время, как при метеорных явлениях энергия взаимодействия частиц достигает нескольких сот и даже тысячи электронвольт.

Исходя из этого, в настоящей работе была поставлена задача расчета параметров, связанных с процессами свечения и ионизации на основе полуэмпирических соотношений. В частности, имелись в виду решения следующих конкретных задач:

определение аналитического выражения зависимости коэффициента эффективности излучения атомов метеорного вещества от скорости сталкивающихся частиц;

определение аналитического выражения зависимости коэффициента (вероятности) ионизации метеорных атомов при их столкновении с частицами атмосферы;

определение взаимосвязи между коэффициентами светимости и ионизации с одной стороны, и интенсивности излучения и линейной электронной плотности метеора с другой стороны;

исследование зависимости абсолютной звездной величины метеора от линейной электронной плотности с учетом скорости метеоров.

Однако, для решения вышеуказанных задач, необходимы знания эффективных свечений элементарных процессов, связанных со столкновением испарившихся метеорных атомов с частицами атмосферы. Исходя из этого, вышеуказанные задачи дополнены такими как:

определение эффективных сечений возбуждения метеорных атомов, как одного из основных параметров, связанных с излучением метеоров;

определение эффективных температур возбуждения метеорных атомов, как некоторого параметра характеризующего заселенность возбужденных уровней.

При решении поставленных задач нами были использованы имеющиеся в литературе данные по фотографическим и радиолокационным наблюдениям, а также исследование нескольких спектров метеоров, полученных в 60-70 годы на призменном спектральном агрегате метеорного потруля Института Астрофизики АН Тадж. ССР.

Научная новизна работы.

1. Получено новое аналитическое выражение зависимости коэффициента светимости от скорости метеоров для случая модели А.

2. На основе теоретических и наблюдательных данных найдены наиболее вероятные значения коэффициента ионизации метеорных атомов и его зависимость от скорости сталкивающихся частиц.

3. На базе имеющихся в литературе теоретических и наблюдательных данных получены новые формулы для отношений коэффициента светимости к коэффициенту ионизации, что позволило получить новое аналитическое выражение для определения абсолютной звездной величины метеоров с учетом их скорости.

4. Получено новое выражение для определения эффективных сечений возбуждения метеорных атомов. Найденные формулы показывают связь этой величины не только ог энергии сталкивающихся частиц, но и от потенциала возбуждения атомов.

5. Проведены расчеты эффективных температур возбуждения и зависимости этой величины от скорости.метеоров. При этом температура возбуждения рассчитана для различных высот пролета метеора. Показано, что при изменении энергии сталкивающихся частиц в интервале 20 - 1500 эВ, температура возбуждения изменяется в пределах 3100 - 4800 К.

6. Профотометрированы спектры 5 ярких метеоров, получен-

ных с помощью призменного агрегата Института Астрофизики, что позволило выявить наиболее яркие мультиплеты атомов метеорного вещества и определить для них эффективные сечения и температуры возбуждения.

7. Полученные новые соотношения, связываю!дие различные параметры свечения и ионизации метеоров были применены к 276 метеорам, радиолокационные наблюдения которых проводились в Институте Астрофизики АН Тадж. ССР. Эти наблюдения проведены как с основного, так и с пяти выносных пунктов, что позволило получить достаточно полную картину о кривой ионизации. Найдены абсолютные звездные величины этих метеоров с учетом их скорости.

Практическая значимость. Получены новые соотношения, определяющие процессы свечения и ионизации метеорных атомов, которые могут быть полезны для коррекции наблюдательных данных. Найденные значения эффективных температур и сечения возбуждения метеорных атомов могут помочь в дальнейшем развитию физической теории метеоров, существенно дополнить информацию о процессах взаимодействия метеорных атомов с частицами атмосферы. Найденные новые зависимости между абсолютной звездной величиной и линейной электронной плотностью метеоров с учетом их скорости позволяют уточнить массы индивидуальных метеорных частиц, а следовательно, и их плотности. Кроме того, появляется возможность непосредственного ввода на ЭВМ наблюдательных данных и тем самым значительно ускорить процесс обработки радионаблюдений. . - '

Основные защищаемые положения.

7. Найдены эффективные сечения возбуждения типичных метеорных атомов и зависимость этой величины от скорости испарившихся метеорных атомов. Показано, что функции возбуждения этих атомов имеют максимум при энергиях столкновений порядка 30-40 эВ, а величина эффективных сечений имеет порядок 10 Ю"¹⁸ см².

8. Установлено, что эффективная температура возбуждения метеорных атомов (в случае модели В, что наиболее вероятно) изменяется в пределах 2000-5000 К и что эта величина для высот максимального блеска метеоров 70-90 км в значительной степени зависит от плотности атмосферы.

9. Коэффициент эффективности излучения метеорных атомов

зависит не только от их скорости столкновения с частицами атмосферы, но и от потенциала возбуждения атомов метеорного вещества. В интервале метеорных скоростей коэффициент светимости изменяется в пределах 0,8-10""^ + 3,0*10 .

4. Предлагается новое соотношение для вероятности ионизации метеорных атомов. Найденная кубическая зависимость коэффициента ионизации от скорости метеоров дает значения вероятности в пределах 0,1-1О^-^ - 24*10 , что достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными.

5. Новые формулы, полученные для отношений коэффициентов светимости и ионизации, а также отношения интенсивности свечения к электронной плотности свидетельствует о том, что

." эти отношения не постоянны, как это считалось ранее, а зави
сят от скорости метеоров. '

6. Получены более общие уравнения зависимости абсолют
ной звездной величины метеора от линейной электронной.плот
ности вдоль г.ути метеоров с учетом скорости последних. Пока
зано, что из них, как частные случаи, следуют все соотноше
ния, полученные ранее другими исследователями.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на втором Международном симпозиуме ГЛОБМЕТ (г.Казань, II-16 июля 1988 г.), на Всесоюзных конференциях "Методы исследования движения, физика и динамика малых тел солнечной системы" (Крым, Кацивели 1987, Душанбе 1989), на республиканских научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов (г. Душанбе, 1984, 1985, 1987), на семинаре Одесской астрономической обсерватории.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, а также списка цитируемой . литературы. Содержание работы изложено на страницах ма-. шинописного текста. Библиография включает наименований.