Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Фотометрия и моделирование излучений полярных сияний

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Фотометрия и моделирование излучений полярных сияний"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК" ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН им. Н.В. Пушкова

^ , ] ^ На правах рукописи

С:>

Дашкевич Жанна Владимировна

ФОТОМЕТРИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

специальность 25.00.29-фишка атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Мооква 2005

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра РАН (ЛГИ КНЦ РАН), г. Апатиты

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Иванов Владимир Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математм<юских наук

Левитин Анатолий Ефимович

кандидат физико-математических наук Тулупов Владимир Иванович

Ведущая организация: Институт космофизических исследований и аэрономиии им. Ю.Г. Шафера СО РАН

Защита диссертации состоится ".

# "О^ГЛ^Л 2005 г. в

ца заседании диссертационного совета Д 002.237.01_в Институте

земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИРАН) по адресу: 142190, г. Троицк, Московская обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР АН. Автореферат разослан "

й " а^ил^я 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор физико-математических наук ¡м/киха&о*/ Михайлов Ю.М.

I

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 бсч фундаментальных исследований физических процессов в ближнем космосе. Особый интерес представляет изучение возмущений в магиитосфсрно-ионосферной 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 динамику физико-химических процессов. Комплексное полярных сияний дает нам информацию как о структуре и составе

г Г ' ' ^ V'

полярной ионосферы, так и о процессах, . происходящих внутри

сложную изученя|

Процессы, протекающие в полярной ионосфере, оказывают влияние и на состояние ионосферы на других широтах Поэтому диагностика состояния полярной ионосферы является одной ю ключевых в проблеме глобального конгроля и прогноза соспмам геосферы Земли. Дм эффективной диагностики необходимо построение физико-химической модели возмущенной полярной ионосферы, учитывающее взаимодействие основных и малых составляющих ионосферы и позволяющей t

моделировал, изучение полярных сияний. Главным источником ииуче-иия в ультрафиолетовом диапазоне 1200-1800 А является система молекулярного азота Лаймана-Берджа-Хопфилда. Построение теоретической модели излучения этой системы полос важно еще и потому, что ультрафиолетовая область спектра является рабочей для оптических и спектрометрических приборов, установленных па спутниках типа DE или Viking.

В видимой области 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 Oi'S) и (X'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 интенс и внос-гей" 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 ямяются важным методом экспериментального исследования в магнитосферно-ионосфериой физике. Анализ экспериментально полученных авроральных спектров предполагает в первую очередь разделение суммарного спектра на полосы и линии, соответствующие конкретным радиационным переходам Для решения этой задачи необходимо владеть 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 авроральных событий как тисовых мая». Проведенный в ПГИ томографический эксперимент, направленный на изучение пространственно-временной структуры попарных 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 магютосферно-ионосферных процессов, используя планетарную картину светимости, получаемую с бортов космических аппаратов. На эту область спектра приходится излучение полос Лаймана-Берджа-Хопфклда молекулярного азота, что делает эту систему интересной для исследования. Несомвенно, что исследования ЬВН эмиссий невозможны без модели излучения полос и зпаши теоретических зависимостей интенсивности излучения от характеристик высыпающегося электронного спектра. Работы [впекши е! аI, 1976, ¡983} и [Сап*ау, 1982] являются

«жясюми в этом моделировании. [Conway, 1982] предложил использование для вычисления спектра "line-by-iine" синтез индивидуальных полос и вывел функцию переноса полосы для самопоглощения LBH излучения В работе [Strickland et at., '983j описан метод вычисление интенсивностей LBH эмиссий на основе решения электронного транспортного уравнения Но зачастую решение уравнения переноса достаточно |ромоздко и сложно Более простой и удобный метод, описалный л работе [Иванов и С ергиенке, 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 изтучения LBH полос, построенная на методе [Иванов и Ссргиенко, 1992J представлена в работе //nishkavich ы а\, ¡993/ (см. раздел « Результаты, составившие основу диссертационной работы, изложены в следующих публикациях »)

В 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 а!., 1982]. Другие наблюдения [Eastes and Sharp, 1987, Budzem el al., 1994J 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«,

состояниями N}. Необходимо дальнейшее исследование роли

механизмов образования молекулы ^(a'llg) при прохождении

электронных и р-Н пучков через атмосферу и распределения

колебательной заселенности a'rigуровня.

Измерения отношений интенсивносгей основных авроральных

эмиссий N*2 4278 A, Ol 5577 А и Ol 6300 А могут быть использованы для

определения параметров электронного протока и для оценки концентраций

атмосферных газов. Полученные разными авторами [Gatlinger and 11

Vallcmce Jones, 1972, 1987; Stelle and McEwen, ¡990] данные о поведении

отношений I5577/L1278 и 1йзс*Л278 в полярных сияниях остаются

неоднозначными и требуют дальнейшего изучения.

В последнее время все больший интерес проявляется к авроральной

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 ai, ¡991]. В шведский n, ) грамме AUS д'-i тс - 'с графических трехмерных реконструкций

i ллрных с,,яний используются камеры всего неба [Gvstavsson, ¡998].

\

CEDAR оптическая меридиональная цепочка спеюрографов используется д.и получения двумерных реконструкций среднеширотных авроральных Образований /Semeter, ¡999]. И хотя работы в этой области ведут«« достаточно активно, результатов томографических исследований авроральных 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-Хопфбшда (LBH) молекулярного азота в электронных и протонных полярных сияниях; йсследование механизмов возбуждения и дезактиваци уровня а'П( молекулярного азота; создание математической модели вычисления интенсивное) 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 расчета 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-чимической модели излучения основных авроральных эмиссий: 4278 А, 5577 А, 6300 к,

- исследование поведения отношений ингенсивноСтен эмиссий 4278 А, 5577 А, 6300 А по данным сканирующих фотометров, работавших на Кольском полуострове в течение сезонов 1998-2000гг; исследование . из основе данных ' оптического томографического эыисримигщ 1999 Г пространственной структуры дуг полярного си>'1Шх, pi соаповление -жерштическик снекгров высыпающихся

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

О »

спектром высыпающихся частиц и скоростью возбуждения. № рамках созданной модели исследовано влияние межсистемных переходов и столкновительной 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+(2D), 0+(JP), (X'D), <X'S), N(*S), N(2D), N(jP), NO, NO*, N*, N^A) и концентрацию электронов в условиях полярных сияний. Модель включает в себя $4 химические реакции, влияющих на концентрации перечисленных компонент.

В результате Исследования поведения отношений 15577/1хт в

зависимости от интенсивности эмиссии 4278 -А по данным

* i

сканирующих фотометров получено, что отношение I&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 3577 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 вариаци^ интенсивности эмиссии 5577 А, которая позволяет связать между собо# наблюдаемые параметры авроральных пульсаций с физико-химическими процессами, и по сути, может являться методикой диагностики этих процессов.

ка защиту выносятся:

1. Модель излучения 1 системы полос Лаймана-Берджа-Хопфилда молекулярного азота.

2. Поведения отношений 1б«*Л<278 и 15577 /1*17» в зависимости от интенсивности эмиссии 4278 А.

1 Особенности меридионального распределения интенсивности эмиссий 4278 А, 5577 А и характеристик высыпающихся электронов в спокойных дугах полярных сияний по данным оптического н>мо1 рафичсского эксперимента <0-11 февраля 1999г.

и

Практическая значимость работы.

Рафаботаиная в диссертации модель излучения полос системы ЛаЙмана-Бсрлжа-Хопфилла молекулярного азота представляет собой составную часть глобальной матсмажчсской модели изучений полярных • сияний Полученные с помощью этой модели результаты »л пол лют

усовершенствовать знания о ЬВМ системе и использовать сС как одно из | средств дистанционной диагностики высокоширотной ионосферы

наземными и космическими оптическими средствами

Синтетические спектры используются в авроральиых и лабораторных исследованиях. включающих в себя спектральную идентификацию экспериментально полученных спектров, нахождение вращательных температур молекул и сечений возбуждения атмосфирных ' газов. с

СЧиданмам физико-химическая модель возбужденной ионосферы позволяет рассчитывать концентрации 14-тн иейтрмышх и ионизированных составляющих ионосферы и концентрацию эмеетронов, • также моделировать на ее основе излучение основных аврлральнМх эмиссий полярных сияний

Методика восстановления энергетических емктрой по экспериментально полученным вы с о гамм профилям интенсивности авроральиых эмиссий позволяет получать параметры высыпающегося во время полярного сияния потока электронов.

Полученные на статистически большом экспериментальном, материале зависимости отношений Цюо/Ц»! и Ьгп от интенсивности эмиссии 4278 А, так же, как и меридиональное поведение характеристик ' излучения и параметров высыпающихся элепронов, установленное в «оде оптического ^томографического эксперимента 10-1] февраля 199ч •

munriMU для исследомиия происходящих во время полярных сияний ионосферных процессов и природы иоиосфермо-магиитосферных связей.

Предложенная аналитическая иеимпульсиая модель быстрых вариаций интенсивности »миссии $577 А позволяет по параметрам наблюдаемых анрорапьных п>льсаний определять фи шко-хгмические П|к>цсссы. участвующие в образовании во(бужденных атомов кислорода. i

Реализация результатов:

Ре<>;1ыаты, полученные в диссергации, могут быть исполькмаиы при разработке моделей излучения ионосферы, а также при исследовании физических процессов происходящих в ионосфере н магнитосфере, в таких ччреждеииях. к.ш ИКИ. ИЗМШ'АН. СЧ|бГУ. ЮН. Hill , ИКФИА.

Апробация работы.

¡'о>льтаты наследований прелстиыялись на международных кон*)>с|х:шшях по оптическим методам исследования атмосферы в г TpoMvс (Порыл мм) 1990 г, i Кируне (Швеция) 1991 г. г. Стокгольме9 (Швеция) 2000 г, I ')мблисанлс ((кмнкобршания) 2(К)4 г , на XIX Генеральной Ассамблее EGS в i Гренобль (Франция) 1994 г, на сжешдных семинарах «Фишка лфорхпьныч явлении» i Апатиты (Россия) |9»Л, 2000,2001,2002 гг , н<1 ншернацниндльной конференции но субб>рям н | Лови (Финляндия) 2004 г. на интернациональном симно!и>ме в г. bot крн<ГША) 2001 г

Нуб шкации.

Iii) 1смо чисссрыции он>бликовано И раГнп

Структура и о&ьем работы.

Диссертация состоит из Введения, +рех глав й Заключения. Обший объем 145 стр., включая 34 рисунка, 4 таблицы, библиографию из 143 наименований.

Лычный вклад автора.

Автором диссертации построена численная модель йзлучения системы полос ЬВН молекулярного азота, создана вычислительная программа расчета интенсивности ЬВН полос, построен алгоритм я написана вычислительная программа по расчету синтетических спектров некоторых систем молекулярного азота.

*

Автор принимал активное участие й разработке физико-химической модели возмущенной ионосферы и аналитической неимпульсной Модели быстрых вариаций интенсивности эмиссии 537.7 им.

Автор принимал участие й подготовке и калибровке аппаратуры, работавшее в коде оптического томографического эксперимента, проведенного в феврале-марте 1999 г. Автором проведена обработка первичных данных этого эксперимента.

Все результаты по теме диссертации-получены лично автором или* при его активном участий.

Статьи, опубликованные по теме диссертаций, написаны при определяющем вкладе автора.

УДЕРЖАНИЕ РАРОТЫ

* ** * .

Во ВВЕДЕНИЯ обоснована актуальность темы исследование сформулированы цели работа. Кратко сформулированы основнрф результаты и защищаемые положения.

Первая глава посвящена моделированию излучения полярной ионосферы в ультрафиолетовой области спектра. Одним из основных источников, формирующих излучения полярной ионосферы в далекой ультрафиолетовой области спектра, является система паюс Лаймана-Бсрджа-Хорфилда молекулярного азота. В разделе 1.1 дан 1фаткий обзор экспериментальных и теоретических исследований ультрафиолетового излучения и системы полос ЬВН к настоящему моменту. В ртделе 1.2 представлена численной моОель ихчучиния системы Лаймана-Берджа-Хопфичда, которая позволяет получить интенсивность ьыбранной полосы 1ЛШ системы для любых заданных начальных условий. Кратко дана характеристика терма п'П,, рассматриваются механизмы возбуждения и дезактивации этого терма в условиях полярных сияний. Основу численной модели ЦЗН полос составляет система балансных уравнений, решаемая в предположении стационарности атмосферных процессов:

.где

У » IV* У

V- колебательные квантовые числа; (^'-скорость возбуждения »> уровне молекулярного азота; у-типы электронных состояний (термы), вероятность спонтанного перехода с /> электронно-колебательного уровня на у* уровень основного состояния молекулярного азота; //^//-объемная плотность возбужденного молекулярного азота в /.V электронном-колебательном состоянии; /ОД-ажтюсп> атмосферной составляющей

сорта У; К[.г -константа химической реакции взаимодействия агтмосфермоЙ составляющей сорта У с N2* в >. V '-электронно-колебательном урояае.

Поскольку в заселенность терма а'П, вносят вклад межсистемные переходы с близлежащих уровней Ы2*(а'%> "^¿«Х система содержит 7 уравнений для уровня а'П,, 15 уравнений для уровня а'1!, и 7 уравнений

ДЛЯ урОВНЯ Уг'Аа.

Приводятся формулы для расчета объемной скорости возбуждения ГВН полос для электронных и протонных высыланий. В случае электронных высыпаний используется оригинальный метод определения объемной скорости возбуждения атмосферных составляющих (¿(10 С помощью этого метода удалось избежать традиционного решения уравнения переноса при определении скорости возбуждения и установить до' тточж» универсальную и простую связь между начальным спектром пучка высыпающихся частиц !,'(Нп) и высотным профилем скорости возбуждения атмосферных гаэов О(Н). В случае протонных высыпаний для расчета высотных профилей обиемных скоростей возбуждения ЬВН полос использовалась транспортная модель, в которой деградация р-Н пучков в атмосфере Земли рассчитывалась методом непрерывных потерь

В разделе 1.3 обсуждаются механизмы возбуждения терма а'П4 молекулярного азота в условиях электронных и протонных полярных сияний Приводятся рассчитанные по разработанной автором численной модели ЬВН излучения объемные скорости возбуждения ^(а'П,) для различных типов начального спектра электронных и протонных высыпаний. Для случая протонных высыпаний рассчитаны вклады в возбуждение ЬВН полос протонов, Н-атомов и вторичных электронов. Из описанной ранее системы балансных уравнений рассчитаны заселенности ■ я—Дммммх уровней а'П8 терма. Оценен вклад спонгашшх

переходов пежду колебательными уровнями термов а'*2,, в заселенное гь а'П, терма. С/кжю сравнение рассчитанных и Экспериментально полученных ззселенностей. Рассмотрено влияние межсистем них переходов и стол кновительной дезактивации на интенсивность объемного ЬВ! I излучения, а также влияние поглощения ЬВН излучения молекуламп О2 и Ы2.

г

6 разделе 1.4 обсуждается возможность диагностики параметров высылающихся частиц по интенсивности ЬВН излучения. Показано, что хорошим индикатором средней энергии электронов служит отношение интеисйвностей излучения двух полос ЬВН, имеющих разную степень нототения в О». Показано, что в случае протонных высыпаний, дяя определения характеристической энергия может быть использовано отношение интеясивностей ¡нр/1и«>

Во второй главе описан алгоритм расчета синтетического спектра системы полос молекулярного азота. Для каждой полосы определяется набор шггенсивностей вращательных линий для всех ветвей системы. Интенсивность линии находится по формуле, в которой учитывается вращательная температура, положение уровней вращательной энергии, заселенность колебательного уровня, определяемая факторами Франка-Кондона, симметричность и несимметричность вращательных подуровней. Для получения синтетического спектра с заданным спектральным разрешением, делается свертка предполагаемой аппаратной функции прибора с полученным набором интенсявностей электронно-колебятельно-¿рашательных переходов. Ртдел 2.2 посвящен синтетическим спектрам Системы полос Лаймана-Берд(жа-Хопфилда молекулярного азота Дана спектрометрическая характеристика терма ^(а'ПД представлен рассчитанный синтетический спектр ЬВН системы для спектрального «Ьрешения 3.5 А. Рассмотрена зависимость формы синтетического

спсктрл от вращательной температуры и от характеристической шергин высыпающихся частиц. В разделе 2.3 даны спектрометрические характеристики термом Л*!*,,, В'П,. молекулярного азота, представлены рассчитанные спектры системы полос Вегарда-Каплана и Первой положительной системы полос молекулярного азота.

Третья глава посвящена исследованию характеристик полярных сияний по их излучению в пилимой области спектра. В рюделе 3.1 дано краткое описание состояния исследования эмиссий 4278 А, 5577 А и 6300 А фотометрическим и томофафнческнм методами. В разделе 3.2 представлена физико-химическая модель возмущенной полярной ионосферы, основанная на решении системы нестационарных одномерных уравнений неразрывности:

<А

|дс К, концентрация /-ой составляющей атмосферы, (), - скорость образования, /., - скорость потерь 1-ой составляющей В таблице даны входящие в молен» 54 фншко-чимические реакции с константами скоростей и ссылками на литературный источник. Далее описана методика восстановления энергетического спектра высыпающихся электронов по «¡меренной ин генсивности авроралмшх «миссий Приведена апробация физико-химической модели и методики восстановления спектра на дзимм* координированного ракепкьепутииммюго эксперимента. Раздел 3.3 поевхщем исследованию отношений ингенсивностей эмиссий 1бшД)27х и Ь:-к в полярных сияниях но данным сканирующих фотометров,' чаановленных в обсерваториях Лово<сро, Туманный и высокоширотной с» !>арс1шб)рг Дано краткое описание эксперимента и представлены жеиеримешальные зависимости отношений для трех станций. Проведены' молельные расчеты поведения этих отношений и сделана оценка концом фации окиси а юга в условиях полярных сияний. Раздел 3.4

юсвящем исследованию характеристик аврорального излучения и параметров потоков энергичных частиц по данным оптического томографического эксперимента, проведенного на Кольском полуострове зимой" 1999 г. Изложены условия проведения эксперимента: излучение основных авроральиых эмиссий 3200 А, 4278 А, 5577 А, 6300 А регистрировалось тремя меридиональными сканирующими фотометрами. Описай процесс проведенной обработки экспериментальных данных. Обсуждена проблема фонового свечения атмосферы. Для выбранного стабильного диффузного аврорального образования, наблюдаемою 10-11 февраля с 23:30 до 00:30 11Т приведены реконструированные пространственные распределения интснсивностей эмиссий 4278 А и 5577 А для шести временных моментов наблюдения, охватывающие спокойный период сияния и начало брейк-апа. Сделан анализ полученных реконструкций. Восстановлены параметры высыпающеюся во время этого полярного сияния потока электронов Подробно исследовано шире гное распределение характеристик ипучения наблюдаемого полярного сияния и параметров электронного потока. Рассмотрена мелкомасштабная структура широтного распределения свечения и электронного потока внутри отдельно взятых дуг. Далее сделано качественное сравнение одновременно полученных результатов радиофизической и оптической томографии. Приведены примеры томографической реконструкции электронной плотности по спутниковым данным радиофизической номографии н объемной интенсивности излучения в эмиссии 3577 А по данным оптической томографии для одного и того же момента наблюдений. В разделе Л5 представлена аналитическая модель быстрых вариаций интенсивности 5577 А 0('8). Представлены методы определения •§> Бремя запаздывания между парным** пиками интенсивности миссий НдВ 2,*) и 0('8) и (,' декремент экспоненциального затухай, ь- :НКоь

0('8). Рассмотрена возможность определения механизмов возбуждения атомов 0('8) по экспериментально полученным и и.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Создана численная модель излучения полос системы Лаймана-Берджа-Хопфилда в электронных и протонных полярных сияниях, которая позволяет рассчитать картину свечения ЬВН полос для произвольно заданного источника частиц. Численно показано:

а) в авроральных условиях в возбуждении терма а'П, участвуют как прямой удар энергичной частицей, так и межсистемные переходы между уровнями а'П,, а''Е», ж'Ди;

б) изменение интенсивности полос ЬВН вследствие столкновительной дезактивации ОДа'П;) становится существенным (-10%) в случае больших характеристических энергий электронов (>10 кэВ);

в) для высыпаний протонов с характеристической энергией <10 кэВ

I

главный вклад в возбуждение ЬВН полос вносят Н-атомы, роль вторичных, электронов становится главенствующей на характеристических энергиях' >15 кэВ ;

г) в случае электронных высыпаний отношение интенсивностей двух полос ЬВН, имеющих разную степень поглощения молекулярным

кислородом, изменяется в 4 раза в интервале характеристической энергии

»

электронов 0.1-10 кэВ и может быть использовано для определения средней энергии высыпающихся электронов;

д) в случае протонных высыпаний для определения характеристической

энергии может быть использовано отношение интенсивностей эмиссии Нр

/

и ЬВН полосы, которое изменяется в 20-30 раз в диапазоне характеристических энергий протонов 1-32 кэВ.

2. Предложен алгоритм расчета синтетических спектров излучения полярных сияний. Входными параметрами в этом алгоритме являются: модель нейтральной атмосферы, начальное параметры высыпающихся частиц, расстояние от источника свечения до регистрирующего это излучение прибора, спектральное разрешение регистрирующего прмбора.

3. Создана физико-химическая модель возбужденной полярной ионосферы, позволяющая рассчитывать концентрации следующих ней|ральных и ионизированных компонент: Ог+, N2*, 0+(4Б), 0*(20), 0+(2Р), О('О), 0(!8), ^Б), Ы(20), Ы(2Р), N0, N0*. и концентрацию электронов в условиях' полярных сияний для произвольно заданного источника высыпающихся частиц.

4. Исследовано поведение отношений 1ц<н/1*п& и 15577^4278 от интенсивности эмиссии 4278 А. Получено, что величина отношения 1«з<хДш* уменьшается с 2 до 0.4 с ростом интенсивности эмиссии 4278 А от 0.1 до 3 кР. Величина отношения 15577/1^278 с ростом интенсивности эмиссии 4278 А в исследованном диапазоне 0.15-1.7 кР имеет тенденцию к возрастанию и принимает значения 4.2 - 6.4. Полученные .значения и характер изменения отношения 15577/1427« показывают, что в типичных ночных полярных сияниях концентрация N0 в максимуме высотного профиля в среднем составляет 108 см'3.

, 5. По данным оптического томографического эксперимента исследована щжтранственная структура интенсивности свечения и параметров высыпающихся потоков в спокойных дугах полярного сияния. Найдены особенности поведения характеристик излучения и параметров высыпающегося потока электронов .вдоль меридиана внутри всего аврорального образования на линейных масштабах порядка 140 км: характерной особенностью является тенденция к уменьшению высоты

максимума объемной интенсивности излучения в направлении с юга на< север на 4-8 км, что соответствует увеличению средней энергии электронов в направлении с юга на север вдоль меридиана на 2-4 кэВ. Найдены особенности поведения характеристик интенсивностей излучения и параметров высыпающегося потока электронов вдоль меридиана внутри отдельно взятой дуги: характерной особенностью является структура, имеющая вид перевернутого "V", наблюдаемая в изменении вдоль меридиана средней энергии н соответсвукмцее "У-образное изменение поперек дуги высоты максимальной интенсивности свечения.

6. Предложена аналитическая неимпульсная модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5577 А, которая позволяет связапгь между собой' наблюдаемые параметры арроральных пульсаций; с физико-химическими процессами.

Результаты, составившие основу диссертационной работы, 'изложены в следующих публикациях:

1. Янковский В.Ф., Дашкевич Ж.В. Неимпульсная модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5S7.7 нм 0('S) в полярном сиянии. 1. Аналитическая модель // Геомагнетизм и аэрономия. Т.32. .№6. С 109116.1992.

2. Dashkevich Z.V., Sergienko Т.1.. Ivanov V.I. The Lyman-Birge-Hopfield bands in aurora //Planet. Space. Sci.V.41. № 1. P.81-87. 1993.

3. Дашкевич Ж.В., Козело* Б.В., Иванов B.E. Полосы системы Лаймана-Берджа -Хопфилда в протонных полярных сияниях И Геомагнетизм и аэрономия. Т.35. №6. С. 109-116. 1995.

4. Дашкевич Ж.В., Иванов В.Е., Сергиенко Т.И. Синтетические спектры системы Лаймана-Берджа-Хопфилда молекулярного азота И Приборы и методика геофизического эксперимента. КНЦ РАН. С.133-140. 1997.

5. Dashkevich Z.Y., Sergienko Т.4., Ivanov V.E. A determination of auroral electron characteristic energy by ratio of two LBH bands // Proceeding of the 19 annual meeting the studies of the upper atmosphere l:y optical method. Kirana. Sweden. P.103.1992.

6. 'Dashkevich Z.V., Kozclov B.V., Ivanov V.E Ev talion of the LBH binds by proton precipitations. (Proceeding of the 20 a.inua! meeting the studies of the upper atmosphere by optical method, September 1993, Apatity) // Геомагнетизм и аэрономия. T94. №5. C.7- 1994.

7. Dashkevich Zh. V.s Korotkov V.G., L.ontyev S.V., Roldugin A.V, Sergienko T.I., Evstafiev O. Reconstru. ;on of characteristics of auroral

ionosphere and thermosphere using method of optical tomograpthy

ч i

//"Physics of Auroral Phenomena". '.Jc.XXXIl Annual Seminar. Apatity.

P 65-68. 2000.

z»

8. Dashkevich Zh. V., Ivanov V.E., Leontyev S.V., Khudukon B Z., Evstafiev O., Korotkov V.G., Roldugin A.V., Sergienko T.I. The luminosity dynamic» and precipitated particle flux characteristics awing an optical tomography experiment in February 1999 // "Wtysics of Auroral Ph№ome*f. Proc.XXIV Annual Seminar. Apatity. P. 107-110.2001.

9 Dashkevich Zh. V., Ivanov V.E. Some features of meridional dependence of electron flux parameters inside auroral arcs // "Physics of Auroral Phenomena '. Proc. XXV Annual Seminar. Apatity. P. 99-102.2002.

lO.Borovkov L. P., Zh. V. Dashkevich, L. S Yevlashin. Hydrogen emission H„ intensity variation measured in winter 2002-2003 at Apatity // "Physics of Auroral Phenomana". Proc XXVI Annual Seminar. Apatity. P. 194-197. 2003.

11 Evstafiev O.V., Dashkevicb Zh V., Khudukon B Z, and Tcreshcheiiko E.D. Combined satellite and auKrnl tomographic measurements over a receiver chain on the Kola peninsula in Russia // Proceedings of the International Beacon Satellite Symposium. Boston College. Massachusetts. USA. P.141, 2001.

Благодарности

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю Иванову Владимиру Евгеньевичу за постановку задачи, обсуждение результатов и моральную поддержку Автор искренне благодарен руководителю лаборатории Вашсшоку Эдуарду Владимировичу за систематическую поддержку к помощь в организационных вопросах Автор также приносят большую благодарность Звереру Владимиру Леонидовичу за помощь в получении экспериментальных отношений интсисивносгей авроральных эмиссий, полезные дискуссии и помощь в правке текста диссертации. Автор благодарит Сергиенко Тимофея Ивановича, Козелова Бориса Владимировича, Янковского Валентина Андреевича, Евстафьева Олега и Худукона Бориса Зиновьевича за совместную работу, Сахарова Ярослава Алексеевича за полезные замечания по написанию текста диссертации, а также: Балабнна Юрия Васильевича, Дэспирак Ирину Вадимовну, Любчич Андриса Алексеевича, Гвоодевского Бориса Борисовича, Пашипа Анатолия Борисовича, Кудряшовой Наталии Владимировне за моральную поддержку. Автор приносит большую благодарность Громовой Людмиле Ивановне за помощь в организационных вопросах.

í I

I

»

ч

Дашкевич Жанна Владимировна

Фотометрия и моделирование излучений полярных сияний

Подписано к печати 01.07.2005 г.

Уел печ.л. 1,5. Бесплатно. Заказ Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИЗМИР АН 142190 г.Троицк, Московской обл.

I

P16170

PHB PyccKHH <J)OHfl

2006-4 13422

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Дашкевич, Жанна Владимировна

Введение.

1. Излучение полярной ионосферы в ультрафиолетовой области спектра.

1.1. В ведение.

1.2. Численная модель излучения полос системы Лаймана-Берджа-Хопфилда (LBH) молекулярного азота.

1.2.1. Интенсивность LBH излучения.

1.2.2. Объемные скорости возбуждения.

1.3. Излучение LBH полос в электронных и протонных полярных сияниях.

1.3.1. Возбуждение терма a'llgмолекулярного азота.

1.3.2. Заселенность колебательных уровней a1ngтерма.

1.3.3. Влияние межсистемных переходов, столкновительной дезактивации и атмосферного поглощения на интенсивность

LBH излучения.

1.4. Определение параметров потоков высыпающихся частиц.

1.5. Результаты.

2. Синтетические спектры излучения молекулярного азота в полярных сияниях.

2.1. В ведение.

2.2. Алгоритм расчета синтетических спектров молекулярных систем.

2.3. Синтетический спектр системы полос Лаймана-Берджа-Хопфилда.

2.2.1 Спектрометрическая характеристика терма a'ng.

2.3.2. Спектр LBH системы в электронных и протонных полярных сияниях.

2.3.3. Зависимость интенсивности спектра LBH системы от характеристической энергии высыпающихся частиц и вращательной температуры молекулы.

2.4. Синтетические спектры полос системы Вегарда-Каплана и первой положительной системы молекулярного азота.

2.5. Результаты.

3. Исследование характеристик полярных сияний и параметров высыпающихся потоков по интенсивности авроральных эмиссий видимой области спектра.

3.1. Введение.

3.2. Численная модель излучения полярных сияний.

3.2.1. Физико-химическая модель возмущенной полярной ионосферы.

3.2.2. Методика восстановления энергетического спектра высыпающихся электронов.

3.3.3. Результаты моделирования.

3.3. Отношение интенсивностей эмиссий ^зсхДшв и I5577/I4278 в полярных сияниях по данным сканирующих фотометров.

3.3.1. Проведение измерений и обработка экспериментальных данных.

3.3.2. Зависимость отношений ГбзосАшв и I5577/I4278 от интенсивности эмиссии 4278 А.

3.3.3. Оценка содержания NO в полярных сияниях по отношению интенсивностей I5577/I4278.

3.4. Томографические реконструкции излучения полярной ионосферы в видимой области спектра.

3.4.1. Описание эксперимента по оптической авроральной томографии.

3.4.2. Томографическая реконструкция объемной интенсивности излучения 4278 А и 5577 А.

3.4.3. Меридиональное поведение характеристик излучения полярного сияния и параметров высыпающегося потока электронов.

3.4.5. Сравнение результатов радиофизической и авроральной томографии.

3.5. Аналитическая модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5577 A OC'S).

3.5.1 Быстрые вариации интенсивности эмиссии O^S) и

3.5.2. Импульсная модель.

3.5.3. Неимпульсная модель.

3.5.4. Использование неимпульсной модели.

3.6. Результаты.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Фотометрия и моделирование излучений полярных сияний"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 высыпающихся 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 без фундаментальных исследований физических процессов в ближнем космосе. Особый интерес представляет изучение возмущений в магнитосферно-ионосферной 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 динамику физико-химических процессов. Комплексное изучение полярных сияний дает нам информацию как о структуре и составе полярной ионосферы, так и о процессах, происходящих внутри магнитосферы.

Процессы, протекающие в полярной ионосфере, оказывают влияние и на состояние ионосферы на других широтах. Поэтому диагностика состояния полярной ионосферы является одной из ключевых в проблеме глобального контроля и прогноза состояния геосферы Земли. Для эффективной диагностики необходимо построение физико-химической модели возмущенной полярной ионосферы, учитывающей взаимодействие основных и малых составляющих ионосферы и позволяющей моделировать излучение полярных сияний. Главным источником излучения в ультрафиолетовом диапазоне 1200-1800 А является система молекулярного азота Лаймана-Берджа-Хопфилда. Построение теоретической 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 области спектра наиболее известными являются эмиссии N2+ 4278 A, OI 5577 А, 01 6300 А. Источник эмиссий 5577 А и 6300 А -возбужденный атомарный кислород- играет важную роль в физико-химическом процессе, происходящем во время полярных сияний. Количество возбужденных атомов 0(!S) и O('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 интенсивн остей 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 авроральных спектров предполагает в первую очередь разделение суммарного спектра на полосы и линии, соответствующие конкретным радиационным переходам. Для решения этой задачи необходимо владение 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 авроральных 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.

Цель работы.

Целью данной работы является исследование эмиссий полярных сияний в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, изучение динамики характеристик аврорального свечения и параметров высыпающихся во время ионосферных возмущений потоков энергичных частиц. В соответствии с целью ставились следующие задачи:

- построение модели излучения системы Лаймана-Берджа-Хопфилда (LBH) молекулярного азота в электронных и протонных полярных сияниях; исследование механизмов возбуждения и дезактиваци уровня a'llg молекулярного азота; создание математической модели вычисления интенсивности LBH эмиссий; апробация модели на имеющихся экспериментальных данных; исследование возможности диагностики характеристик высыпающихся во время полярных сияний потоков частиц по интенсивности LBH эмиссий;

- построение алгоритма расчета синтетических спектров излучения полярных сияний на примере излучения систем молекулярного азота; исследование зависимости формы спектров от ионосферных условий;

- построение 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 интенсивностей 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 эксперимента 1999 г пространственной структуры дуг полярного сияния; восстановление энергетических спектров высыпающихся 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 a'llg посредством межсистемных 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 и столкновительной дезактивации на интенсивность излучения LBH полос.

- Создана физико-химическая модель возбужденной ионосферы, позволяющая рассчитывать концентрации следующих нейтральных и ионизированных компонент: 02+, N2+, О+(4S), 0+(2D), 0+(2Р), 0(]D), O('S),

N(4S), N(2D), N(2P), NO, NO+, N+, N2(A) и концентрацию электронов в условиях полярных сияний. Модель включает в себя 54 химические реакции, влияющих на концентрации перечисленных компонент.

- В результате исследования поведения отношений I5577 /I4278 в зависимости от интенсивности эмиссии 4278 А по данным сканирующих фотометров получено, что отношение I5577/I4278 имеет тенденцию к возрастанию с ростом интенсивности эмиссии 4278 А в исследованном диапазоне 0.151.7 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 5577 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 вариаций интенсивности эмиссии 5577 А, которая позволяет связать между собой наблюдаемые параметры авроральных пульсаций с физико-химическими процессами, и по сути, может являться методикой диагностики этих процессов.

На защиту выносятся:

1. Модель излучения системы молекулярного азота.

2. Поведения отношений I6300/I4278 интенсивности эмиссии 4278 А. полос Лаймана-Берджа-Хопфилда и I5577 /I4278 в зависимости от

3. Особенности меридионального распределения интенсивности эмиссий 4278 А, 5577 А и характеристик высыпающихся электронов в спокойных дугах полярных сияний по данным оптического томографического эксперимента 10-11 февраля 1999г.

Практическая значимость работы.

Разработанная в диссертации модель излучения полос системы Лаймана-Берджа-Хопфилда молекулярного азота представляет собой составную часть глобальной математической модели излучений полярных сияний. Полученные с помощью этой модели результаты позволяют усовершенствовать знания о LBH системе и использовать её как одно из средств дистанционной диагностики высокоширотной ионосферы космическими оптическими средствами.

Синтетические спектры используются в авроральных и лабораторных исследованиях, включающих в себя спектральную идентификацию экспериментально полученных спектров, нахождение вращательных температур молекул и сечений возбуждения атмосферных газов.

Созданная физико-химическая модель возбужденной ионосферы позволяет рассчитывать концентрации 14-ти нейтральных и ионизированных составляющих ионосферы и концентрацию электронов, а также моделировать на её основе излучение основных авроральных эмиссий полярных сияний.

Методика восстановления энергетических спектров по экспериментально полученным высотным профилям интенсивности авроральных эмиссий позволяет получать параметры высыпающегося во время полярного сияния потока электронов.

Полученные на статистически большом экспериментальном материале зависимости отношений 1бз<х/Ц278 и I5577/I4278 от интенсивности эмиссии 4278 А, так же, как и информация, установленная в ходе оптического томографического эксперимента 10-11 февраля 1999 г., полезны для исследования происходящих во время полярных сияний ионосферных процессов и природы ионосферно-магнитосферных связей.

Предложенная аналитическая неимпульсная модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5577 А позволяет по параметрам наблюдаемых авроральных пульсаций определять физико-химические процессы, участвующие в образовании возбужденных атомов кислорода.

Реализация результатов:

Результаты моделирования излучения системы Лаймана-Берджа-Хопфилда в полярных сияниях были использованы другими исследователями при изучении свечения LBH полос в полярных сияниях. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы при разработке моделей излучения ионосферы, а также при исследовании физических процессов, происходящих в ионосфере и магнитосфере, в таких учреждениях, как ИКИ, ИЗМИРАН, С-Пб.ГУ, ГОИ, ИГТГ и др.

Апробация работы.

Результаты исследований представлялись на международных конференциях по оптическим методам исследования атмосферы в г. Тромсе (Норвегия) 1990 г., г. Кируне (Швеция) 1991 г., г. Стокгольме (Швеция) 2000 г., г. Эмблисанде (Великобритания) 2004 г., на XIX Генеральной Ассамблее EGS в г. Гренобль (Франция) 1994 г., на ежегодных семинарах «Физика авроральных явлений» г. Апатиты (Россия) 1993, 2000,2001,2002 гг., на интернациональной конференции по суббурям в г. Леви (Финляндия) 2004 г., на интернациональном симпозиуме в г. Бостон (США) 2001 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Общий объем 145 стр., включая 34 рисунка, 4 таблицы, библиографию из 143 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Дашкевич, Жанна Владимировна

Основные результаты диссертационной работы:

1. Создана численная модель излучения полос системы Лаймана-Берджа-Хопфилда в электронных и протонных полярных сияниях, которая позволяет рассчитать картину свечения LBH полос для произвольно заданного источника частиц.

Численно показано: а) в авроральных условиях в возбуждении терма а1 Пё участвуют как прямой удар энергичной частицей, так и межсистемные переходы между уровнями а1 Пё , a''Eu , w!Au; б) изменение интенсивности полос LBH вследствие столкновительной дезактивации N2(a1ng) становится существенным (-10%) в случае больших характеристических энергий электронов (>10 кэВ); в) для высыпаний протонов с характеристической энергией <10 кэВ главный вклад в возбуждение LBH полос вносят Н-атомы, роль вторичных электронов становится главенствующей на характеристических энергиях >15 кэВ; г) в случае электронных высыпаний отношение интенсивностей двух полос LBH, имеющих разную степень поглощения молекулярным кислородом, изменяется в 4 раза в интервале характеристической энергии электронов 0.110 кэВ и может быть использовано для определения средней энергии высыпающихся электронов; д) в случае протонных высыпаний для определения характеристической энергии может быть использовано отношение интенсивностей эмиссии Hp и LBH полосы, которое изменяется в 20-30 раз в диапазоне характеристических энергий протонов 1-32 кэВ.

2. Предложен алгоритм расчета синтетических спектров излучения полярных сияний. Входными параметрами в этом алгоритме являются: модель нейтральной атмосферы, начальные параметры высыпающихся частиц, расстояние от источника свечения до регистрирующего это излучение прибора, спектральное разрешение регистрирующего прибора.

3. Создана физико-химическая модель возбужденной полярной ионосферы, позволяющая рассчитывать концентрации следующих нейтральных и ионизированных компонент: 02+, N2+, 0+(4S), 0+(2D), 0+(2Р), O('D), CK'S), N(4S), N(2D), N(2P), NO, NO+, N+, N2(A3Iu+) и концентрацию электронов в условиях полярных сияний для произвольно заданного источника высыпающихся частиц.

4. Исследовано поведение отношений 1бзос/14278 и I5577/I4278 от интенсивности эмиссии 4278 А. Получено, что величина отношения Ьзос/Ьшв уменьшается с 2 до 0.4 с ростом интенсивности эмиссии 4278 А от 0.1 до 3 кР. Величина отношения I5577/I4278 с ростом интенсивности эмиссии 4278 А в исследованном диапазоне 0.15 -1.7 кР имеет тенденцию к возрастанию и принимает значения 4.2 - 6.4. Полученные значения и характер изменения отношения I5577/I4278 показывают, что в типичных ночных полярных сияниях концентрация NO в максимуме высотного профиля в среднем составляет 108 см"3.

5. По данным оптического томографического эксперимента исследована пространственная структура интенсивности свечения и параметров высыпающихся потоков в спокойных дугах полярного сияния. Найдены особенности поведения характеристик излучения и параметров высыпающегося потока электронов вдоль меридиана внутри всего аврорального образования на линейных масштабах порядка 140 км: характерной особенностью является тенденция к уменьшению высоты максимума объемной интенсивности излучения в направлении с юга на север на 4-8 км, что соответствует увеличению средней энергии электронов в направлении с юга на север вдоль меридиана на 2-4 кэВ. Найдены особенности поведения характеристик интенсивностей излучения и параметров высыпающегося потока электронов вдоль меридиана внутри отдельно взятой дуги: характерной особенностью является структура, имеющая вид перевернутого "V", наблюдаемая в изменении вдоль меридиана средней энергии и соответсвующее "V"-образное изменение поперек дуги высоты максимальной интенсивности свечения.

6. Предложена аналитическая неимпульсная модель быстрых вариаций интенсивности эмиссии 5577 А, которая позволяет связать между собой наблюдаемые параметры авроральных пульсаций с физико-химическими процессами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Дашкевич, Жанна Владимировна, Апатиты

1. Иванов В.Е., Сергиенко Т.И. Взаимодействие авроральных электронов с атмосферными газами // С.-П. 144 с. 1992.

2. Иванов В.Е., Козелов Б.В. Прохождение электронных и протонно-водородных пучков в атмосфере Земли // Апатиты: изд. Кольского научного центра РАН. 260 с. 2001.

3. Кириллов А.С., Аладьев Г.А. Роль реакции N2(A3£1'u,v)+0 в свечении зеленой линии и колебательной кинетике молекулярного азота в высокоширотной верхней атмосфере // Космич. исслед.Т.36. № 5. С. 451-457. 1998.

4. Козелов Б.В. Юрова И.Ю. Взаимодействие протонно-водородного пучка с молекулярным азотом // Препринт 111 И-91-3-83. Апатиты: КНЦ РАН. 34с. 1991.

5. Короткое В.Г., Козелов Б.В., Леонтьев С.В. Авроральный механический сканирующий фотометр ФСК-2 // Приборы и методика геофизического эксперимента. Отв. ред. В.Е. Иванов. Кольский научный центр РАН. Мурманск. С. 15-20. 1997.

6. Коновалов В.П., Сон Э.Е. Деградационные спектры электронов в газах // Химия плазмы. Т. 14. С. 194-227. 1987.

7. Сергиенко Т.И., Иванов В.Е. Восстановление концентрации атомарного кислорода по данным измерений интенсивностей оптических эмиссий полярных сияний // Сб. 111И КНЦ РАН: Моделирование процессов в верхней полярной атмосфере. Мурманск. С. 153-165. 1998.

8. Фришман И.Г. Распределение энергии в спектрах полярных сияний в области 3900-8700 А // Оптика и спектроскопия. Т. 6. Вып. 3. С. 323-328. 1959.

9. Хьюбер К.-П., Герцберг Г. Константы двухатомных молекул. Перевод с английского языка//М: Мир. Т.2. 365 с. 1984.

10. Beiting E.J., Feldman P.D. Ultraviolet spectrum of the aurora (2000-2800 A) // J.Geophys.Res. V.84. N.A4. P.1287-1296. 1979.

11. Berrington K. A., Burke P. G. Effective collision strengths for forbidden transitions in e-N and e-O scattering // Planet. Space Sci.V. 29. № 3. P. 377-380. 1981.

12. Black G., Slander T. G., St. John G. A., Young R. A. Vacuum-ultraviolet photolysis of N20. IV. Deactivation of N(2D) //J. Chem. Phys. V.51. №1 P 116121. 1969/

13. Dandekar B.S. Simplified formula for the determination of the altitude of an auroral arc from a single station // J. Atmos. Terr. Phys. V.36. №5. P.829-834. 1974.

14. DeMore W.B., Sander S.P., Golden D.M., Molina M.T., Hampson R.F., Kurylo M.J., Howard С .J., Ravishankara A.R. Chemical kinetics and photochemical data for use in stratospheric modeling // Evalution number 9. JPL publication 90-1. Pasadena. CA. 1990.

15. Doe A.R., Kelly J.D., Semeter J.L., Steele D. P. Tomographic reconstruction of 630.0 nm emission structure for a polar cap arc // Geophys. Res. Lett. V.24. №9. P.l 119-1122. 1997.

16. Garstang R. H. Transition probabilities in auroral lines, in airglow and aurora // Pergamon. New York. 1956. Gattinger R.L., Vallance Jones A. The intensity ratios of auroral emission features // Ann. Geophys. V. 28. № 1. P. 91-97. 1972.

17. Gattinger R.L., Harris F.R. Vallance Jones A. The height, spectrum and mechanism of type-B red aurora and its bearing on the excitation of O('S) in aurora //Planet. Space Sci. V.33. №2. P.207-221. 1985.

18. Gattinger R.L., Llewellyn E.J., A.Vallance Jones. On I(5577A) and I(7620A) auroral emissions and atomic oxyden densities // Ann. Geophysicae, V.14. №7. P. 687-698,1996.

19. Gerard J.-C. Thermospheric ODD nitroden // Planet. Space Sci.V.40. № 2/3. P.337-353. 1992.

20. Germany G.A., Torr M.R., Richards P.G., Torr D.G. The dependence of modeled OI 1356 and N2 LBH auroral emissions on the neutral atmosphere // J. Geophys. Res. V.95. №A6. P.7725-7733. 1990.

21. Germany G.A., Torr M.R., Torr D.G, Richards P.G. Use of FUV auroral emissions as diagnostic indicator // J. Geophys. Res. V.99. №A1. P.383-388. 1994a.

22. Germany G.A., Torr D.G, Richards P.G., Torr M.R., John S. Determination of ionospheric conductivities from FUV auroral emissions // J. Geophys. Res. V.99. №A12. P.23297-23305. 1994b.

23. Henriksen K. Photometric investigation of 4278 A and 5577 A emissions in aurora // J. Atmos. Terr. Phys. V.35. №7. P.1341. 1973.

24. McDade I.C., Llewellyn E.J. Inversion techniques for recovering two-dimensional distributions of auroral emission rates from tomographic rocket photometer measurement // Can.J.Phys. V.69. P.1059-1068. 1991.

25. Energy dependence and branching ratio of the + О reaction // J. Geophys. Res. V.79. №19. P.2925-2926. 1974. Meier R.R. Ultraviolet spectroscopy and remote sensing of the upper atmosphere // Space.Sci.Rev. V.58. №1/2. 1991.

26. Meier R.R., Strickland D.J., Feldman P.D., Gentieu E. P. The ultraviolet dayglow. 1. Far UV emission of N and N2 // J. Geophys. Res. V.85. №A5. P.2177-2184. 1980.

27. Meier R.R., Conway R.R, Feldman P.D., Strickland D.J., Gentieu E. P. Analysis of nitrogen and oxygen ultraviolet auroral emissions // J. Geophys. Res. V.87. №A4. P.2444-2452. 1982.

28. NO*, and NiH J.Phys.B. V.12. №9. P.1591-1602. 1979. Nygren Т., Makkanen M., Lehtinen M., Kaila K. Application of stochastic inversion in auroral thomography // Ann. Geophysicae. V. 14. №11. P. 11241133.1996.

29. Oppenheimer M., Constantinides E. R., Kirby-Docken K., Victor G. A., Dalgarno A., Hoffman J.H. Ion photochemistry of the thermosphere from Atmospheric Explorer-C measurements // J. Geophys. Res. V.82. №35. P.5485-5492.1977.

30. Porter H.S., Jackman C.H., Green A.E.S. Efficiencies for production of atomic nitroden and oxygen by relativistic proton impact in air // J. Chem. Phys. V.65. №1. P. 154-167. 1976.

31. Rees M.H., Luckey D. Auroral electron energy derived from ratio of spectroscopic emission. 1. Model computations // J. Geophys. Res. V.79. №34. P.5181-5186. 1974.

32. Sharp W.E., Rees M.N., Stewart A.I. Coordinated rocket and satellite measurements of on auroral event. 2. The rocket observations and analysis // J. Geophys. Res. V.84. №A5. P.1977-1984. 1979.

33. Shemansky D.E. Transition probabilities and collision broadening cross section of the N2 Lyman-Birge-Hopfield system // J. Chem. Phys. V.51, N.12. P.5487-5494. 1969.

34. Shepherd M.G., Shepherd G.G. On the 1(557.7 nm)/I(427.8 nm) emission rate ratio in aurora // J. Atmos. Terr. Phys. V. 57. № 8. P. 933-943. 1995.

35. Singh V., Singhal R. P. Intensities of N2 bands in proton-induced polar cap aurora // J. Geophys. Res. V.83. №A4. P. 1653-1654. 1978a.

36. Singh V., Singhal R. P. Binary encounter calculations or proton energy deposition in N2 // J. Geophys. Res. V.83. №A4. P.1655-1658. 1978b.

37. Singh V., Singhal R. P. Secondary electrons in proton-induced polar cap aurora // Indian J. Radio and Space Phys. V.7. P.33.1978c.

38. Siskind D.E., Barth C.A., Evans D.S., Roble R.G. The response of thermospheric nitric oxide to an auroral storm 2. Auroral latitudes // J. Geophys. Res. V.94. № A12. P. 16899- 16911. 1989.

39. Slander T. G., Black G. O('S) guenching profile between 75 and 115 km. // Planet. Space Sci. V.21. №10. P.1757-1761. 1973.

40. Slander T. G., Black G. Quenching of O('S) by 02(a1Ag) // Geophys. Res. Lett. V.8. №5. P.535-538. 1981.

41. Solomon S.C., Hays P.B., Abreu V.J. Tomographic inversion of satellite photometry. Part 2 // Appl. Opt. V.24. №23. P.4134-4140. 1985.

42. Solomon S. C., Hays P. В., Abreu V. J. The auroral 6300A emission: observations and modelling // J.Geophys. Res. V. 93. №A9. P.9867-9882. 1988

43. St-Maurice J.-P., Torr D. G. Nonthermal rate coefficients in the ionosphere: The reaction of О+ with N2, О 2 and NO // J. Geophys. Res. V.83. №A3. P.969-977. 1978

44. Stelle D. P., McEwen D.J. Electron auroral excitation efficiencies and intensity ratios // J. Geophys. Res. V.95. №A7. P.10321-10336. 1990.

45. Steele D. P., McEwen D.J., Murphree J.S. On the possibility of auroral remote sensing with the Viking ultraviolet imager // J. Geophys. Res. V.97. №A3 P.2845-2862. 1992.

46. Steele D. P., McEwen D.J., Murphree J.S. A comparison of Viking UVI auroral observations and model calculations of camera responses // J. Geophys. Res. V.100. №A3. P.3657-3668. 1995. Stormer C. The Polar aurora// Clarendon. Oxford. 1955.

47. Torr D. G., Torr M. R. Chemistry of the thermosphere and ionosphere// J. Atm. Terr. Phys. V.41. №7/8. P.797. 1979.

48. Torr M.R., Torr D.G., Chang Т., Richards P., Germany G. N2 Lyman -Birge-Hopfield dayglow from ATLAS 1 // J. Geophys. Res. V.99. №A11. P.21397-21407. 1994.

49. Vanderslise J.T., Tilford S.G., Wilkinson P.G. The high-resolution absorption spectrum of nitrogen from 1060 to 1520 A 1. а1Пэ system // Astrophys.

50. J. V.141, N.2. P.395-426. 1965.

51. Wiese W. L., Smith M. W., Glennon В. M. Atomic transition probabilities, vol.1 // Natl. Stand. Ref. Data Ser.-U.S. Nat. Bur. Stand. 1966.1. Благодарности