Свечение воздуха

Свечение воздуха (также называемое ночным свечением ) — это слабое излучение света атмосферой планеты . В случае с земной атмосферой это оптическое явление приводит к тому, что ночное небо никогда не бывает полностью темным, даже после того, как эффекты звездного света и рассеянного солнечного света с дальней стороны удалены. Это явление возникает из-за самосветящихся газов и не имеет никакой связи с земным магнетизмом или активностью солнечных пятен .

История [ править ]

Явление свечения воздуха было впервые обнаружено в 1868 году шведским физиком Андерсом Ангстремом . С тех пор его изучали в лаборатории, и в рамках этого процесса наблюдались различные химические реакции с выделением электромагнитной энергии. Ученые определили некоторые из тех процессов, которые будут присутствовать в атмосфере Земли, а астрономы подтвердили наличие таких выбросов. Саймон Ньюкомб был первым человеком, который научно изучил и описал свечение воздуха в 1901 году. ^[1]

Свечение воздуха существовало еще в доиндустриальном обществе и было известно еще древним грекам. « Аристотель и Плиний описывали явления Хасматы , которые можно идентифицировать частично как полярные сияния, а частично как яркие ночи свечения воздуха». ^[2]

Описание [ править ]

Свечение воздуха вызвано различными процессами в верхних слоях атмосферы Земли , такими как рекомбинация атомов, фотоионизированных Солнцем в . течение дня, люминесценция, вызванная космическими лучами, попадающими в верхние слои атмосферы, и хемилюминесценция, вызванная главным образом кислородом и азотом, реагирующими с гидроксилом свободные радикалы на высоте нескольких сотен километров. Днем он не заметен из-за бликов и рассеяния солнечного света .

Даже в лучших наземных обсерваториях свечение воздуха ограничивает светочувствительность оптических телескопов . Частично по этой причине космические телескопы, такие как Хаббл, могут наблюдать гораздо более слабые объекты, чем современные наземные телескопы в видимых длинах волн .

Свечение воздуха ночью может быть достаточно ярким, чтобы его заметил наземный наблюдатель, и обычно оно кажется голубоватым. наблюдателя Хотя свечение воздуха довольно равномерно по всей атмосфере, оно кажется наиболее ярким на высоте примерно 10° над горизонтом , поскольку чем ниже человек смотрит, тем большую массу атмосферы он видит. Однако очень низко атмосферное затухание снижает видимую яркость свечения воздуха.

Один из механизмов свечения воздуха заключается в том, что атом азота соединяется с атомом кислорода, образуя молекулу оксида азота (NO). При этом фотон испускается . Этот фотон может иметь любую из нескольких длин волн, характерных для молекул оксида азота. Свободные атомы доступны для этого процесса, поскольку молекулы азота (N ₂ ) и кислорода (O ₂ ) диссоциируют под действием солнечной энергии в верхних слоях атмосферы и могут столкнуться друг с другом с образованием NO. Другими химическими веществами, которые могут создавать свечение воздуха в атмосфере, являются гидроксил (ОН), ^[3]^[4]^[5] атомарный кислород (O), натрий (Na) и литий (Li). ^[6]

Яркость неба обычно измеряется в единицах видимой величины на квадратную угловую секунду неба.

Расчет [ править ]

Чтобы рассчитать относительную интенсивность свечения воздуха, нам необходимо преобразовать видимые величины в потоки фотонов; это явно зависит от спектра источника, но сначала мы это проигнорируем. На видимых длинах волн нам нужен параметр S ₀ ( V ), мощность на квадратный сантиметр апертуры и на микрометр длины волны, создаваемая звездой нулевой величины, для преобразования видимых звездных величин в потоки - S ₀ ( V ) = 4,0 × 10. ⁻¹² W⋅cm ⁻²⋅µm ⁻¹. ^[7] Если мы возьмем пример звезды V = 28 , наблюдаемой через обычный полосовой фильтр V ( полоса пропускания B = 0,2 мкм , частота ν ≈ 6 × 10 ¹⁴ Гц ), количество фотонов, которые мы получаем на квадратный сантиметр апертуры телескопа в секунду от источника, равно N _с :

N_{\text{s}}=10^{-28/2.5}\times {\frac {S_{0}(V)\times B}{h\nu }}

(где h — постоянная Планка ; hν — энергия одиночного фотона частоты ν ).

В диапазоне V излучение свечения воздуха составляет V = 22 на квадратную угловую секунду на высотной обсерватории в безлунную ночь; в отличных условиях наблюдения изображение звезды будет иметь размер около 0,7 угловой секунды в поперечнике и площадь 0,4 квадратной угловой секунды, поэтому излучение свечения воздуха над областью изображения соответствует примерно V = 23 . Это дает количество фотонов свечения воздуха N _a :

N_{\text{a}}=10^{-23/2.5}\times {\frac {S_{0}(V)\times B}{h\nu }}

Отношение сигнал/шум для идеального наземного наблюдения с помощью телескопа площади A (без учета потерь и шума детектора), возникающее из статистики Пуассона , составляет всего:

S/N={\sqrt {A}}\times {\frac {N_{\text{s}}}{\sqrt {N_{\text{s}}+N_{\text{a}}}}}

Если мы предположим идеальный наземный телескоп диаметром 10 м и неразрешенную звезду: каждую секунду на участок размером с увеличенное изображение звезды от звезды прилетает 35 фотонов, а от свечения воздуха - 3500. Итак, за час примерно 1,3 × 10 ⁷ приходят от свечения, и примерно 1,3 × 10 ⁵ прибыть из источника; поэтому соотношение сигнал / шум составляет примерно:

{\frac {1.3\times 10^{5}}{\sqrt {1.3\times 10^{7}}}}\approx 36.

Мы можем сравнить это с «реальными» ответами калькуляторов времени экспозиции. Для 8-метрового телескопа Очень Большого Телескопа , согласно калькулятору времени экспозиции FORS , необходимо 40 часов времени наблюдения, чтобы достичь V = 28 , тогда как 2,4-метровому телескопу «Хаббл» требуется всего 4 часа по калькулятору времени экспозиции ACS . Гипотетическому 8-метровому телескопу «Хаббл» потребовалось бы около 30 минут.

Из этого расчета должно быть ясно, что уменьшение размера поля обзора может сделать более слабые объекты более заметными на фоне свечения воздуха; К сожалению, методы адаптивной оптики , уменьшающие диаметр поля зрения наземного телескопа на порядок, пока работают только в инфракрасном диапазоне, где небо намного ярче. Космический телескоп не ограничен полем зрения, поскольку на него не влияет свечение воздуха.

Индуцированное свечение воздуха [ править ]

Были проведены научные эксперименты по созданию свечения воздуха путем направления мощных радиоизлучений на ионосферу Земли . ^[8] Эти радиоволны взаимодействуют с ионосферой, вызывая при определенных условиях слабый, но видимый оптический свет на определенных длинах волн. ^[9]Эффект также можно наблюдать в радиочастотном диапазоне с помощью ионозондов .

Экспериментальное наблюдение [ править ]

SwissCube-1 — швейцарский спутник, управляемый Федеральной политехнической школой Лозанны . Космический корабль представляет собой единый аппарат CubeSat , который был разработан для проведения исследований свечения воздуха в атмосфере Земли и разработки технологий для будущих космических кораблей. Хотя SwissCube-1 довольно мал (10 см × 10 см × 10 см) и весит менее 1 кг, он оснащен небольшим телескопом для получения изображений свечения воздуха. Первое изображение SwissCube-1 было получено 18 февраля 2011 года и было совершенно черным с некоторым тепловым шумом. Первое изображение свечения воздуха было получено 3 марта 2011 года. Это изображение было преобразовано в оптический диапазон человека (зеленый) на основе измерений в ближнем инфракрасном диапазоне. Это изображение обеспечивает измерение интенсивности явления свечения воздуха в ближнем инфракрасном диапазоне . Измеряемый диапазон составляет от 500 до 61400 фотонов , разрешение 500 фотонов. ^[10]

Наблюдение свечения воздуха на других планетах [ править ]

Космический корабль «Венера-Экспресс» содержит инфракрасный датчик, который обнаруживает излучение в ближнем ИК-диапазоне из верхних слоев атмосферы Венеры . Выбросы происходят от оксида азота (NO) и молекулярного кислорода. ^[11]^[12]Ранее в ходе лабораторных испытаний ученые установили, что при производстве NO ультрафиолетовые образуются и ближние ИК-излучения. УФ-излучение было обнаружено в атмосфере, но до этой миссии создаваемое атмосферой излучение в ближнем ИК-диапазоне было лишь теоретическим. ^[13]

Галерея [ править ]

Оттенки красного и зеленого, освещающие небо, создаются свечением воздуха. ^[14]
Свечение воздуха над обсерваторией Паранал . ^[15]
Воздушное свечение над VLT платформой ^[16]
Свечение воздуха над Дордонью, Франция.
Замедленная съемка свечения воздуха из космоса с широкой красной полосой свечения воздуха.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ MGJ Миннарт, Физика открытого поля , Часть 2: Звук, тепло, электричество . § 248: Ионосферный свет
^ Науки о Земле, Энциклопедия событий, людей и явлений , 1998, Garland Publishing, стр. 35, через Google Книги , дата доступа 25 июня 2022 г.
^ Мейнель, AB (1950). «Полосы излучения OH в спектре ночного неба I». Астрофизический журнал . 111 : 555. Бибкод : 1950ApJ...111..555M . дои : 10.1086/145296 .
^ А. Б. Майнель (1950). «Полосы излучения OH в спектре ночного неба II» . Астрофизический журнал . 112 : 120. Бибкод : 1950ApJ...112..120M . дои : 10.1086/145321 .
^ Высокий, FW; и др. (2010). «Изменчивость неба в диапазоне y на сайте LSST». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 122 (892): 722–730. arXiv : 1002.3637 . Бибкод : 2010PASP..122..722H . дои : 10.1086/653715 . S2CID 53638322 .
^ Донахью, ТМ (1959). «Происхождение натрия и лития в верхних слоях атмосферы». Природа . 183 (4673): 1480–1481. Бибкод : 1959Natur.183.1480D . дои : 10.1038/1831480a0 . S2CID 4276462 .
^ Астрофизика высоких энергий: частицы, фотоны и их обнаружение, том 1, Малкольм С. Лонгэр, ISBN 0-521-38773-6
^ ВЧ-индуцированное свечение воздуха в магнитном зените: тепловые и параметрические нестабильности вблизи электронных гирогармоник . Мишин Е.В. и др., Письма о геофизических исследованиях . 32, Л23106, дои : 10.1029/2005GL023864 , 2005 г.
^ Обзор NRL HAARP. Архивировано 5 марта 2009 г. в Wayback Machine . Военно-морская исследовательская лаборатория .
^ Официальный сайт SwissCube
^ Гарсия Муньос, А.; Миллс, ФП; Пиччиони, Г.; Дроссарт, П. (2009). «Ночное свечение оксида азота в ближнем инфракрасном диапазоне в верхних слоях атмосферы Венеры» . Труды Национальной академии наук . 106 (4): 985–988. Бибкод : 2009PNAS..106..985G . дои : 10.1073/pnas.0808091106 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2633570 . ПМИД 19164595 .
^ Пиччиони, Г.; Засова Л.; Мильорини, А.; Дроссарт, П.; Шакун, А.; Гарсиа Муньос, А.; Миллс, ФП; Кардезин-Мойнело, А. (1 мая 2009 г.). «Ночное свечение кислорода в ближнем ИК-диапазоне, наблюдаемое аппаратом VIRTIS в верхних слоях атмосферы Венеры» . Журнал геофизических исследований: Планеты . 114 (Е5): E00B38. Бибкод : 2009JGRE..114.0B38P . дои : 10.1029/2008je003133 . ISSN 2156-2202 .
^ Уилсон, Элизабет (2009). «Планетология - Спектральный диапазон ночного свечения Венеры позволяет изучать NO, O». Новости химии и техники . 87 (4): 11. doi : 10.1021/cen-v087n004.p011a . ISSN 0009-2347 .
^ «Немецкий дог Ла Силья» . www.eso.org . Проверено 26 марта 2018 г.
^ «Все, кроме черного» . www.eso.org . Проверено 20 сентября 2016 г.
^ «Австрийские программные инструменты, разработанные для ESO» . www.eso.org . Европейская южная обсерватория . Проверено 6 июня 2014 г.

Внешние ссылки [ править ]

[1] MGJ Миннарт, Физика открытого поля , Часть 2: Звук, тепло, электричество . § 248: Ионосферный свет

[SCIENCES_OF_THE_EARTH-2] Науки о Земле, Энциклопедия событий, людей и явлений , 1998, Garland Publishing, стр. 35, через Google Книги , дата доступа 25 июня 2022 г.

[meinel50a-3] Мейнель, AB (1950). «Полосы излучения OH в спектре ночного неба I». Астрофизический журнал . 111 : 555. Бибкод : 1950ApJ...111..555M . дои : 10.1086/145296 .

[meinel50b-4] А. Б. Майнель (1950). «Полосы излучения OH в спектре ночного неба II» . Астрофизический журнал . 112 : 120. Бибкод : 1950ApJ...112..120M . дои : 10.1086/145321 .

[high10-5] Высокий, FW; и др. (2010). «Изменчивость неба в диапазоне y на сайте LSST». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 122 (892): 722–730. arXiv : 1002.3637 . Бибкод : 2010PASP..122..722H . дои : 10.1086/653715 . S2CID 53638322 .

[6] Донахью, ТМ (1959). «Происхождение натрия и лития в верхних слоях атмосферы». Природа . 183 (4673): 1480–1481. Бибкод : 1959Natur.183.1480D . дои : 10.1038/1831480a0 . S2CID 4276462 .

[7] Астрофизика высоких энергий: частицы, фотоны и их обнаружение, том 1, Малкольм С. Лонгэр, ISBN 0-521-38773-6

[agu2005-8] ВЧ-индуцированное свечение воздуха в магнитном зените: тепловые и параметрические нестабильности вблизи электронных гирогармоник . Мишин Е.В. и др., Письма о геофизических исследованиях . 32, Л23106, дои : 10.1029/2005GL023864 , 2005 г.

[nrlHAARP-9] Обзор NRL HAARP. Архивировано 5 марта 2009 г. в Wayback Machine . Военно-морская исследовательская лаборатория .

[EPFL_Sopace_Center_airglow-10] Официальный сайт SwissCube

[Garcia_MunozMills2009-11] Гарсия Муньос, А.; Миллс, ФП; Пиччиони, Г.; Дроссарт, П. (2009). «Ночное свечение оксида азота в ближнем инфракрасном диапазоне в верхних слоях атмосферы Венеры» . Труды Национальной академии наук . 106 (4): 985–988. Бибкод : 2009PNAS..106..985G . дои : 10.1073/pnas.0808091106 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2633570 . ПМИД 19164595 .

[12] Пиччиони, Г.; Засова Л.; Мильорини, А.; Дроссарт, П.; Шакун, А.; Гарсиа Муньос, А.; Миллс, ФП; Кардезин-Мойнело, А. (1 мая 2009 г.). «Ночное свечение кислорода в ближнем ИК-диапазоне, наблюдаемое аппаратом VIRTIS в верхних слоях атмосферы Венеры» . Журнал геофизических исследований: Планеты . 114 (Е5): E00B38. Бибкод : 2009JGRE..114.0B38P . дои : 10.1029/2008je003133 . ISSN 2156-2202 .

[Wilson2009-13] Уилсон, Элизабет (2009). «Планетология - Спектральный диапазон ночного свечения Венеры позволяет изучать NO, O». Новости химии и техники . 87 (4): 11. doi : 10.1021/cen-v087n004.p011a . ISSN 0009-2347 .

[14] «Немецкий дог Ла Силья» . www.eso.org . Проверено 26 марта 2018 г.

[15] «Все, кроме черного» . www.eso.org . Проверено 20 сентября 2016 г.

[16] «Австрийские программные инструменты, разработанные для ESO» . www.eso.org . Европейская южная обсерватория . Проверено 6 июня 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]