ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ СЕВЕРНОЕ СИЯНИЕ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ «СЕВЕРНОЕ СИЯНИЕ»

Атмосферные процессы связаны с влияниями, идущими как сверху, из космоса, так и снизу, от земной поверхности. Источником энергии атмосферных процессов в основном является солнечная радиация. Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверхности в теплоту, энергию движения и другие виды энергии. Между земной поверхностью и атмосферой происходит оживленный обмен тепла, а также и воды. С влияниями земной поверхности в определенной степени связаны и оптические свойства атмосферы, и ее электрическое состояние. Одним из самых красивых и удивительных процессов в атмосфере является Полярное сияние!!!!

Полярное сияние — это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц с атомами и молекулами земной атмосферы. Появление же этих заряженных частиц в определенных районах атмосферы и на определенных высотах есть результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

Причины возникновения Северного сияния Солнце непрерывно излучает высокоэнергичные частицы, а также все виды электромагнитного излучения, в том числе и видимый свет. Этот поток частиц - это так называемый солнечный ветер, который в основном состоит из положительных ионов и электронов. Также существуют такие очень высокоэнергичные явления, как вспышки или выбросы корональной массы Солнца, что увеличивает интенсивность солнечного ветра. Частицы солнечного ветра путешествуют на скорости от 300 км/с до 1000 км/с, преодолевая расстояние от Земли до Солнца примерно за дватри дня. В непосредственной близости от Земли солнечный ветер отклоняется в космос магнитным полем Земли или магнитосферой. Солнечный ветер толкает магнитосферу и деформирует её так, что силовых линий представляет собой некую удлиненную структуру с длинным хвостом в виде кометы простирающимся в обратном направлении от солнца

Небольшая часть частиц солнечного ветра проникает в атмосферу и движется к Земле вдоль силовых линий магнитного поля земли, так что они отмечают тот путь по которому они приводятся в движение. Захваченные частицы сталкиваются в магнитосфере с нейтральными атомами и молекулами в верхних слоях атмосферы Земли, обычно атомарного кислорода (O) и молекулярного азота (N 2), находящихся в нейтральном состоянии и с наиболее низким уровнем энергии, называемым фундаментальным уровнем. Энергетический вклад, обеспечиваемый частицами от Солнца переводит эти атомы и молекулы в так называемые возбужденные состояния, а возвращаются они к своим фундаментальным уровням, излучая энергию в виде света (рис. 3). Этот свет, который мы видим с земли, и зовется полярным сиянием.

Где, когда и как наблюдать полярное сияние? ? ? Полярное сияние возникает в некоторых областях Земли, называемых авроральными овалами, которые расположены вокруг северного и южного магнитных полюсов. Чем интенсивнее солнечный ветер и более энергичны частицы, выбрасываемые Солнцем, тем больше становятся овалы. Поэтому, если солнечная активность от умеренной до низкой, овалы тонкие и в случае бореальных границ они отодвигаются дальше на север. Тем не менее, во время больших бурь, северный овал расширяется и движется дальше на юг.

«РАСЧЁТ ВЫСОТЫ ПО ЦВЕТУ» : • Цвета, которые мы наблюдаем во время Полярного сияния зависят от атомных или молекулярных компонент в верхних слоях атмосферы, которые возбуждаются частицами солнечного ветра, и от уровня энергии, который достигают эти атомы или молекулы. Возбужденный атом или молекула возвращается в своё основное состояние, испуская фотон с определенной энергией, которая воспринимается нами как определенный цвет. Основными компонентами атмосферы являются азот и кислород, они и производит полный спектр цветов полярного сияния.

КИСЛОРОД Излучение энергии от атомов кислорода, которые возбуждаются электронами, обладает некоторыми особенностями. Обычно возбужденный атом или молекула возвращается в нормальное состояние немедленно. Однако у атома кислорода это занимает ¾ секунды на возвращение в основное состояние, излучая зеленый фотон. Для красного фотона это занимает почти 2 минуты! Если в течение этого времени атом сталкивается с другой частицей, он утрачивает энергию при столкновении, и поэтому не излучает свет. Столкновения происходят когда атмосфера более плотная. Это причина, по которой красное излучение кислорода появляется только на высоте от 200 км, где столкновения между молекулами воздуха и атомами редки. Ниже 100 км высоты даже излучение зеленого цвета не представляется возможным. Таким образом, кислород отвечает за два основных цвета сияния, зеленый, соответствующий энергии перехода на 557, 7 нм, в то время как красный цвет производится в более редком переходе при 630 нм. На графике, который показывает спектр излучения атомарного кислорода обозначены основные эмиссионные линии, соответствующие зелёному цвету, наиболее распространенному в Полярном сиянии.

АЗОТ При столкновении азота его атом может потерять некоторые из своих внешних электронов, производя синий свет, в то время как если он возбуждается при столкновении электрона, его излучение красное (рис. 8). Видимый спектр молекулярного азота из полярных сияний, с эмиссионными линиями.

Из всей доступной информацией мы можем сделать оценку высоты образования полярных сияний по их цвету. Ø 1. Выше 200 км, виден красноватый оттенок атомарного кислорода (рис. а) Ø 2. На высоте около 100 -200 км цвета зеленоватые, что характерно (наиболее распространенный цвет полярных сияний, Рисунок а, б, в) для эмиссии атомарного кислорода. Ø 3. На высоте около 120 км видны сине-фиолетовые цвета молекулярного азота (рис c). Ø 4. В условиях высокой активности (солнечный шторм) появляются розовые цвета молекулярного азота на высоте 90 -100 км и нижний край сияния (фиг. б).

ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ •

•

Теперь рассмотрим движение заряженной частицы в неоднородном полe. Как и в однородном поле, она будет описывать спиральную траекторию вокруг силовых линий. Однако, в отличие от однородного поля, спираль эта обладает двумя особенностями. Вопервых, по мере перемещения частицы вдоль силовой линии радиус спирали теперь не остается неизменным. Если частица, перемещаясь, попадает в область более сильного поля, то ее гирорадиус уменьшается; при перемещении же частицы в направлении, в котором поле ослабевает, ее гирорадиус возрастает. На рисунке 10. 7, а показана спиралеобразная траектория частицы, перемещающейся вдоль оси, Видно, что радиус спирали и ее шаг постепенно уменьшаются. На рисунке 10. 7, 6 показана траектория частицы уже после того, как поле заставило ее начать перемещение назад; теперь шаг и радиус спирали постепенно возрастают

Спасибо за Внимание