Свечение неба. Флуоресценция и резонансное рассеяние

 7. Свечение неба

Термин свечение неба введен Элвеем (Christian T. Elvey, 1899-1970; в пятидесятые годы был директором Геофизического института университета штата Аляска) в 1950 г. для обозначения эмиссий верхней атмосферы, не связанных с полярными сияниями и рассеянием внешнего излучения. Впоследствии были введены термины свечение ночного неба и сумеречное свечение (когда Солнце находится за горизонтом, но все еще освещает атмосферу на высотах 50 – 150 км).

Речь идет о наблюдении собственного свечения атмосферы, порожденного различными физическими и химическими процессами. В ходе этих процессов часто появляются атомы и молекулы в возбужденном состоянии. В ряде случаев энергия возбуждения не переходит в тепло, а высвобождается в виде оптического излучения. В этих случаях говорят об атмосферных эмиссиях или свечении неба. Не путать с рассеянием солнечного излучения!

Понятно, что экспериментальные исследования атмосферных эмиссий несут информацию об особенностях процессов, происходящих в верхней атмосфере и вызывающих это свечение. Основная проблема такого рода исследований – крайне низкая интенсивность подлежащих регистрации сигналов. Поэтому при регистрации эмиссий, источник которых находится на больших высотах, возникают трудности даже в ночное время, когда приходится бороться со светом звезд, Луны и даже с рассеянным светом городского освещения.

В случае дневных и сумеречных наблюдений серьезной проблемой является отделение интересующей нас эмиссии от фона, обусловленного рассеянием солнечного света. Обычно фон значительно сильнее полезного сигнала и последний очень трудно выделить из суммарного регистрируемого сигнала.

Один из широко применяемых методов для решения этой задачи использует эффект поляризации рассеянного солнечного света. Дело в том, что однократно рассеянный под прямым углом солнечный свет оказывается поляризованным. Даже в смеси с многократно рассеянным излучением остается заметная степень поляризации. В тоже время эмиссии, обусловленные резонансным рассеянием и химическими реакциями, имеют очень слабую поляризацию.

Вкратце идея метода выглядит следующим образом. На длине волны, близкой к длине волны эмиссии, регистрируется  рассеянное атмосферой солнечное излучение (это фон!) в двух каналах, в одном  из которых установлен  поляризатор для уничтожения вклада в регистрируемый сигнал поляризованной компоненты однократно рассеянного излучения. Поляризатор ориентируется таким образом, чтобы не пропускать поляризованную составляющую рассеянного излучения неба. В результате получается разное соотношение между интенсивностью  излучения в обоих каналах. Если теперь излучение из разных каналов с помощью модулятора попеременно направлять на детектор, на выходе системы будет зарегистрирован переменный электрический ток. С помощью диафрагмы в канале, не  содержащем поляризатор, можно ослабить проходящий через него световой поток и выровнять сигналы в обоих каналах. Тогда ток пропадет. Очевидно, что в такой ситуации неполяризованная часть рассеянного излучения, прошедшего по второму каналу, ослабляется значительно сильнее, чем в первом канале. Действительно, через первый канал проходит только неполяризованное излучение, а через второй - сумма поляризованного и неполяризованного. Чтобы выровнять интенсивности в обоих каналах, степень ослабления неполяризованного излучения во втором должна быть больше.

Если теперь к рассеянному атмосферой излучению добавить неполяризованное излучение эмиссии (просто переместиться на длину волны ближайшей эмиссии), баланс каналов снова нарушится. В самом деле, в первом канале неполяризованное излучение эмиссии почти не ослабляется, а во втором ослабляется сильно, подобно тому, как это происходит с неполяризованным рассеянным солнечным излучением. При этом баланс фонового рассеянного солнечного излучения в обоих каналах сохраняется. На выходе детектора опять возникнет переменный ток, а его амплитуда будет пропорциональна интенсивности эмиссии.

С помощью приборов, установленных на ракетах, можно проводить регистрацию эмиссий непосредственно в атмосфере. Попутно можно вести также и измерения нейтральных и ионных компонент атмосферы. Самолеты (до 15 км) и шары-зонды (до  40-50 км) дают определенные преимущества при наблюдении дневных эмиссий, поскольку яркость неба выше 10 км сильно уменьшается[1]. При этом иногда заметно уменьшается и поглощение излучения некоторых эмиссий верхней  атмосферы на пути к регистрирующему устройству. В частности, одна из инфракрасных полос молекулярного кислорода легко наблюдается с самолета, однако ее очень трудно зарегистрировать на земле, поскольку это излучение поглощается молекулами кислорода в основном состоянии, которых очень много на пути от источника излучения до поверхности Земли.

В качестве примера редких фотометрических исследований верхней атмосферы, можно указать на полет ракеты “Аэроби-150” (США) в 70-х годах. Тогда с помощью фотометра[2] впервые был измерен высотный профиль инфракрасной  эмиссии кислорода   на длине волны 1.27 мкм. По результатам измерений была сделана оценка концентрации возбужденного кислорода  (синглентный  кислород) и она оказалась неожиданно высокой. Впоследствии такие высокие концентрации возбужденного кислорода стали использовать для объяснения наблюдаемых концентраций ионов  в области D ионосферы.