Свечение неба. Флуоресценция и резонансное рассеяние, страница 2

Как уже говорилось, коротковолновое ионизирующее ультрафиолетовое излучение с длиной волны  нм не доходит до этих высот. А излучение  с λ=121.6 нм, которое вроде бы и доходит, не может ионизировать кислород в основном состоянии (ионизирует только молекулы   с порогом ионизации <137 нм). Однако, если молекула кислорода предварительно возбуждена, энергии этого излучения становится уже достаточно для ионизации[3]. После были найдены различные другие реакции с участием синглетного кислорода, и последний стал предметом очень пристального внимания в физике и химии атмосферы.

7.1. Флуоресценция и резонансное рассеяние

Рассмотрим теперь процессы возбуждения атмосферных составляющих, результатом которых является появление эмиссий.

Флуоресценция – процесс испускания света атомом, молекулой или ионом, возбужденными в результате поглощения излучения. Здесь считается, что возбужденное состояние устойчиво в смысле сохранения целостности молекулы, и результатом снятия возбуждения будет просто переход в основное состояние (иногда - в несколько этапов через промежуточные состояния). Если возбуждение приводит к диссоциации или ионизации, иногда могут образовываться продукты в возбужденном состоянии, которые будут испускать свое характерное излучение (но это уже другой процесс).

В отдельных случаях длины волн поглощенного и испущенного излучения совпадают. Тогда говорят о резонансной флуоресценции или резонансном рассеянии. Эффективность процесса резонансного рассеяния в сотни и тысячи раз выше эффективности обычного рассеяния, когда частота рассеиваемого излучения не совпадает с частотой перехода в атоме или молекуле, взаимодействующих с излучением. Основные переходы для сумеречных и дневных эмиссий связаны как раз с процессами резонансного рассеяния в земной атмосфере в линиях L_α (n=1-2, λ=121.6 нм) и L_β  (n=1-3, λ=102.6 нм) атомного водорода при переходах в He, O, N, NO, а также при некоторых переходах в атомах и ионах металлов.

Возбуждение, приводящее в последующем к испусканию излучения, может также осуществляться в результате столкновений с заряженными частицами. Существуют три процесса с участием заряженных и незаряженных частиц, которые  ведут к образованию возбужденных компонентов:

1) неупругие столкновения с фотоэлектронами - электронами, вырванными из атомов и молекул под действием коротковолнового электромагнитного излучения;

2) электрон-ионная рекомбинация;

3) возбуждение в результате химических реакций.

Фотоэлектроны образуются в дневное время на больших высотах со средней энергией порядка 10 эВ. Неупругое соударение электрона с молекулой обычно приводит к колебательному и вращательному возбуждению, поскольку передаваемая энергия при столкновении, как правило, мала и ее недостаточно для электронного возбуждения. Здесь следует сделать маленькое отступление и пояснить используемые термины.

В квантовой механике молекул показывается, что сложная молекулярная система помимо поступательного движения молекулы как целого, может совершать также колебательные движения, выражающиеся в периодическом изменении расстояний между ядрами, а также вращательное движение молекулы вокруг ее центра масс.

С каждым из видов движений ассоциируется свой запас энергии. Кроме того, значительным запасом энергии обладают электроны, совершающие движение в электрическом поле ядер молекулы[4]. Между запасами электронной Е_эл, колебательной E_кол и вращательной E_вр энергий молекулы имеет место соотношение Е_эл>>E_кол>>E_вр. В результате  возбуждения  молекулы  может быть увеличен любой из названных видов энергии[5]. Эти изменения в энергии, как правило, дискретны, причем, в подавляющем большинстве случаев возможное изменение электронной энергии намного превышает возможное изменение колебательной энергии, а изменение последней  намного превышает возможные изменения энергии вращения: ∆Е_эл>>∆E_кол>>∆E_вр.