Введение к работе
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 высылающихся 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 бс* фундаментальных исследований
физических процессов в ближнем космосе. Особый интерес представляет
изучение возмущений в маптитосферно-иоиосферной 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
діїнамику физико-химических процессов. Комплексное изученяр
полярных сияний дает нам информацию как о структуре и составе
полярной ионосферы, так и о процессах, . происходящих внутри
магнитосферы. p^S^^i
1 ВИБЛИОГеСА і
1-ЛШЙ
Процессы, протекающие в полярной ионосфере, оказывают влияние
и на состояние ионосферы на других широтах. Поэтому диагностика
состояния полярной ионосферы является одной шз ключевых в проблеме
глобального контроля и прогноза состоящая геосфери Земли. Для
эффективной диагностики необходимо построй—? физико-химической
мелели возмущенной полярной ионосферы, учитывающей взаимодействие
основных и малых составляющих ионосферы и позволяющей *
моделировал, излучение полярных сияний. Главным источником ииіучения в ультрафиолетовом диапазоне 1200-1800 А является система молекулярного азота Лаймана-Берджа-Хопфилда. Построение ііорстичсской 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 облает;: спектра наиболее известными являются эмиссии N/ 4278 A, OI 5577 А, 01 6300 А. Источник эмиссии 5577 А и 6300 А -возбужденный атомарный кислород - играет важную роль в физико-химическом процессе, происходящем во время полярных сияний. Количество возбужденных атомов 0(1 S) и 0(1 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 (інтенсивностей 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 авроральиых спектров предполагает в первую очередь разделение суммарного спектра на полосы и линии, соответствующие конкретным радиационным переходам Для решения этой задачи необходимо владекг; 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 авроральиых 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
Состояние исследований.
Ультрафиолетовая область спектра традиционно является одной из наиболее интересных его частей в связи с возможностью исследования магыитосферно-ноносферных процессов, используя планетарную картину светимости, получаемую с бортов космических аппаратов. На эту область спектра приходится излучение полос Лаймана-Берджа-Хопфнлда молекулярного азота, что делает эту систему интересной для исследования. Несомненно, что исследования LBH эмиссий невозможны без модели юну кии її полос и знания теоретических зависимостей интенсивности излучения от характеристик высыпающегося электронного спектра. Работы [Strickland el а!.. 1976, 1983J н [Conway, J9S2J являются
«меисиыми в этом моделировании. [Conway, 1982 J предложил использование для вычисления спектра "line-by-line" синтез индивидуальных полос и вывел функцию перенося полосы для самопоглощения LBH излучения В работе [Strickland et ai, '983J описан метод вычисление интенсивностей LBH эмиссий на основе решения электронного транспортного уравнения Но зачастую решение уравнения переноса достаточно іромоздко и сложно Более простой и удобный метод, описанный л работе [Иванов и С ергиеііко, 1992] базируется на понятии " jnept етической цены возбуждения" и позволяет установить универсальную связь между начальным спектром электронного пучка и высошым профилем скоростей образования возбужденных атмосферных сазов Численная модель изаучения LBH полос, построенная на методе [Иванов и Ссргиенко, 1992] представлена в работе [Intshkevtch <и ai, 1993] (см. раздел « Результаты, составившие основу диссертационной работы, изложены в следующих публикациях »)
D исследовании авроральных ионосферных процессов важную роль играет знание механизмов заселенности колебательных уровней возбужденных молекул. Полученные из наблюдений LBH эмиссии в дневном свечении земной атмосферы и в полярных сияниях распределения заселенности по колебательным уровням а'П„ состояния молекулярного азота имеют различия большие, чем ошибка экспериментов. Некоторые наблюдения согласуются с теоретическими предсказаниями для возбуждения прямым электронным ударом [Meier et ai, 1982]. Другие наблюдения [Eastes and Sharp, 1987, Budzem el ai, 1994] ясно показывают, что прямой удар не может быть единственным механизмом, влияющим на заселенность колебательных уровней. Все эти наблюдения показывают большие значения для заселенности нижних колебательных уровней, чем это можно ожидать при возбуждении прямым ударом Такое увеличение
может дать комбинация прямого удара и каскадных переходов между а П«, a''Su , w'Au состояниями N]. Необходимо дальнейшее исследование роли механизмов образования молекулы N^a'llg) при прохождении электронных и р-Н пучков через атмосферу и распределения колебательной заселенности a'rigуровня.
Измерения отношений интенсивностей основных авроральных эмиссий N*2 4278 A, Ol 5577 А и OI 6300 А могут быть использованы для определения параметров электронного протока и для оценки концентраций атмосферных газов. Полученные разными авторами [Gattinger and " Vallcmce Jones, 1972, 1987; Stelle and McEwen, 1990/ данные о поведении
ОТНОШеНИЙ І5577/І4278 И UxxJUin В ПОЛЯрНЫХ СИЯНИЯХ ОСТаЮТСЯ
неоднозначными и требуют дальнейшего изучения.
В последнее время все больший интерес проявляется к авроральиой
о оптической томографии как к средству, позволяющему изучать процессы,
происходящее во время полярных сияний в пространственном масштабе.
IL_,- ни гвроральных дуг томографическими методами проводились в
ра --*; кампании ARIES [Vollance Jones et al., 1991]. В шведской
n, іграммс Al/IS д-т тс ме*рафичесхих трехмерных реконструкций
і лярных с,,яний используются камеры всего неба [Gustavsson, 1998].
CEDAR оптическая меридиональная цепочка спектрографов используется
Я1.І получения двумерных реконструкций среднеширотных авроральных
Образований [Semeter, 1999]. И хотя работы в этой области ведутся
достаточно активно, результатов томографических исследований
лвроральных событий как таковых мало.
Цель работы.
Целью данной работы является исследование эмиссий полярных сияний в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, изучение динамики характеристик аврорального свечения и паоаметров высыпающихся во время ионосферных возмущений потоков энергичных частиц. В соответствии с целью ставились следующие задачи:
создание модели излучения системы Лаймана-Берджа-Хопфішда (LBH) молекулярного азота в электронных и протонных полярных сияниях; исследование механизмов возбуждения и дезактиваци уровня а'П, молекулярного азота; создание математической модели вычисления интенсивносі и 1.ВН эмиссий; апробация модели на имеющихся экспериментальных данных; исследование возможности диагностики характеристик высыпающихся во время полярных сияний потоков частиц по интенсивности LBH эмиссий;
построение алгоритма расчега синтетических спектров излучения полярных сияний на примере излучения систем молекулярного азота;
исследование зависимости формы спектров от ионосферных условий;
создание физико-химической модели авроральной ионосферы, позволяющей рассчитать концентрации её нейтральных и возбужденных компонент; моделирование на основе физико-химической модели излучения основных авроральных эмиссий: 4278 А, 5577 А, 6300 А;
исследование поведения отношений (інтенсивностей 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 їюіеримеїгтз 1999 г пространственной структуры дуг полярного і'иушіх, рісоановлсние ineptстмческич спектров высыпающихся
Л?Г. .-,, ^
электронов; исследование 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 а'Пе посредством межсистсмных 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 я столхновительной дезактивации на интенсивность излучения LBH полос.
Создана физико-химическая модель возбужденной ионосферы, позволяющая рассчитывать концентрации следующих нейтральных и. ионизированных компонент: Ог*, N2*. O^S), 0\гТ>), 0*(2V), OC'D), CX'S), N(*S), N(2D), N(jP), NO, NO*, N*, ЩА) и іюіщентрацию электронов в условиях полярных сияний. Модель включает в себя $4 химические реакции, влияющих на концентрации перечисленных компонент.
В результате Исследования поведения отношений hsn/Uan в зависимости от интенсивности эмиссии 4278 А по данным сканирующих фотометров получено, что отношение 1&тг!Ъап имеет
тенденцию к возрастанию с ростом интенсивности эмиссии 4278 А в" исследованном диапазоне 0.15-1.7 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 SS77 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 вариация) интенсивности эмиссии SS77 А, которая позволяет связать между собо! наблюдаемые параметры авроральных пульсаций с физико-химическими процессами, и по сути, может являться методикой диагностики этих процессов.
ко защиту выносятся:
1 Модель излучения * системы полос Лаймана-Берджа-Хопфилда молекулярного азота.
2. Поведения ОТНОШеНИЙ 1б«кЛі27К И І5577 /І4278 В ЗаВИСИМОСТИ ОТ
интенсивности эмиссии 4278 А.
3. Особенности меридионального распределения интенсивности эмиссий
4278 A, SS77 А и характеристик высыпающихся электронов в
спокойных дугах полярных сияний по данным оптического
ымшрафнчсского эксперимента 10-11 февраля 1999г.
Практическая значимость работы.
Раїработаиная в диссертации модель излучения полос системы
ЛаЙмана-Бсрлжа-Хопфилла молекулярного азота представляет собой
составную часть глобальной матсмаїической модели излучений полярных
і сияний Полученные с помощью этой модели результаты шляоляшт
усовершенствовать знания о LBM системе и использовать ее как одно из
' средств листанцнонной диагностики высокоширотной ионосферы
наземными и космическими оптическими средствами
Синтетические спектры используются в явроральиых и
лабораюрных исследованиях, включающих а себя спектральную
идентификацию экспериментально полученных спектров, нахождение
вращательных температур молекул м сечений возбуждения атмосферных '
газов. с
Соіданна* физико-химическая модель возбужденной ионосферы позволяет рассчитывать концентрации 14-ти нейтральных и ионизированных составляющих ионосферы и концентрацию электронов, я также моделировать на ее основе излучение основных аврлральнМх эмиссий полярных сияний
Методика восстановления энергетических еяектроя по экспериментально полученным высогным профилям интенсивности авроральных эмиссий позволяет получать параметры высыпающегося во время полярного сияния потока электронов.
Полученные на статистически большом экспериментальном, материале зависимости отношений UWUm и UsnfUm от интенсивности эмиссии 4278 А, так же, как и меридиональное поведение характеристик ' излучения и параметров высыпающихся электронов, установленное в «оде оптического ^томографического эксперимента 10-1] февраля 199V
поле «ми лля исследования происходящих м> кремя полярных сияний ионосферных процессия и природы ж>1юсфсрно-мягинтосфериых связей.
Предложенная аналитическая кеимнульсиая модель быстрых
вариаций интенсивное! и «миссии 5577 А позволяет по параметрам
наблюдаемых амроральных п>льсаііий определять фи шко-хгмические
П|юцсссы. участвующие я образовании во(бужденных атомов кислорода. і
Реализация рпулыпатош:
Рсіульїатьі, полученные в диссертации, могут быть исполыоааиы при разработке моделей излучения ионосферы, а также при нсследованим физических процессов происходящих в ионосфере н магнитосфере, в таких учреждениях, каь ИКИ. ИЗМШ'АН. С-НАТУ. ГОИ. ИНГ. ИКФИА.
Апробация работы.
(Чмультаты исследований представлялись на международных конференциях по отическим методам исследования атмосферы в г Тромбе (Норвеїня) 1990 г, і Кнрунс (ІІІиеция) 1991 г. г. Сюкгольме" (Шнецня) 2000 г, і ')мблисанле (Вс.інкобриіания) 2004 г , на XIX Генеральной Ассамблее ECiS в і Гренобдь (Франция) 1994 г, на сжешдных семинарах «Фишка <іпрорхіьньі\ явлении» і Апатиты (Россия) 194*. 2000,2001,2002 гг , на нніернацнональной конференции но суббурям н і Леви (Финляндия) 2004 г, на интернациональном снмиоіи>ме в г. Ьосюн (США) 2001 г
Нуб ишации.
1а> теме чисесрыиии опубликовано И райот
Структура и объем работы.
