Метеорное излучение возникает главным образом за счет возбуждения атомов при взаимных столкновениях, а также при рекомбинациях свободных электронов с ионами и последующих каскадных переходах. Впрочем, последний механизм играет, как мы увидим далее, второстепенную роль. Излучение метеора формируется в так называемой коме, т. е. газовой оболочке, окружающей метеороид и состоящей из смеси воздуха и метеорных паров. Как показывают спектры метеоров, излучают в основном атомы и ионы паров метеороида. Спектр метеора состоит из линий излучения атомов и ионов элементов, входящих в состав метеороидов (Fe, Mg, Na, Са, Ni, Si, Al, Co, Cr, Mn и др.). На долю полос атмосферного азота (N2) приходится сравнительно небольшая часть (~2%) энергии излучения. Кислород (также присутствующий в метеорных спектрах) может быть как метеорного, так и атмосферного происхождения, и разделить обе эти компоненты очень трудно. Поскольку, однако, в линиях кислорода излучается менее 1% общей энергии излучения метеоров [297], можно считать, что доля атмосферных полос и линий в интенсивности излучения метеоров не превосходит 3%. Сводка атомов, молекул и ионов, чьи линии и полосы наблюдаются в метеорных спектрах, дается в § 23. Интересно, что даже у самых ярких болидов, полет которых происходит в режиме непрерывного обтекания, спектр линейчатый и ничем принципиально не отличается от спектра обычных ярких метеоров, иначе говоря, непрерывное излучение ударной волны не наблюдается. Попытка объяснения этого парадокса будет сделана ни- 188 ГЛ. IV. СВЕЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ МЕТЕОРОВ же. Увеличение дисперсии метеорных спектрографов за последние 20 лет привело к тому, что почти во всех случаях наблюдений непрерывного спектра метеоров его удается идентифицировать как налагающиеся системы молекулярных полос [406]. ^ Рассмотрим систему элементарных процессов, определяющих излучение метеора. На «метеорной» стадии полета, т. е. до того как перед метеороидом образуется ударная волна, в коме, окружающей метеороид, происходят неупругие столкновения атомов, приводящие к их возбуждению и ионизации. Кроме того, часть возбужденных атомов образуется в ходе диссоциации молекул, причем вклад этого механизма, согласно Э. Эпику [425J, существен при малых и средних скоростях (и ^ 30 км/с). Подавляющее большинство соударений частиц в коме упругие, приводящие к безызлучательному торможению частиц метеорных паров от метеорных до тепловых скоростей, с передачей импульса и энергии атомам атмосферы. Это вытекает из того обстоятельства, что при метеорных скоростях сечение передачи импульса Оа на порядок больше сечений возбуждения ое и ионизации а». По оценке Э. Эпика [425], лишь 3% всех столкновений пеупругие. Кроме атомов и ионов, в коме метеора присутствуют электроны, образуемые как в результате ионизации метеорных атомов при их столкновениях с молекулами воздуха, так и за счет других возможных механизмов (термоэмиссии с поверхности метеороида, механоэмиссии при дроблении и др.). Но, в отличие от ударной волны, где уже при степени ионизации 10~2 электронный удар является главным ионизующим механизмом [84], в коме метеора роль электронов в процессах возбуждения и ионизации ничтожно мала, так как их количество, а главное,— энергия, намного меньше количества и энергии нейтральных атомов. Чтобы приобрести достаточную энергию от тяжелых частиц, электроны должны испытать с ними сотни столкновений, но в условиях малой плотности газа на это требуется слишком большое время. Этим условия в коме метеора кардинально отличаются от условий за фронтом сильной ударной волны [41J. § 19. ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТЕОРОВ 189 Поэтому в коме метеора термодинамическое равновесие не осуществляется даже локально и чаще всего имеет место состояние недовозбуждения (количество возбужденных атомов меньше больцмановского при данной электронной температуре Те). Подробнее вопрос о неравиовес- иости метеорной комы будет рассмотрен ниже. Как уже отмечалось, возбужденные состояния атомов образуются не только за счет столкновений, но и за счет рекомбинаций. Подсчет эффективности рекомбинациоп- ного излучения, выполненный в 1955 г. Э. Эпиком [425], показал, что для большинства метеорных атомов вклад рекомбинационного излучения в континууме составляет ~ 15% вклада дискретного излучения, возникающего за счет4каскадных переходов рекомбинировавших электронов. Отсюда ясно, почему в метеорных спектрах не наблюдается излучение в континууме. Ведь спектральные линии, на долю которых приходится 87% излучения (только рекомбинационного!), имеют очень малую ширину, а и без того слабое излучение в континууме (13% рекомбинационного излучения) «размазывается» на всю ширину спектра и оказывается ниже порога чувствительности аппаратуры. Хотя в расчете на один элементарный акт захвата ре- комбинационное излучение дает в среднем в шесть раз больший выход энергии, чем в случае возбуждения столкновением, в общем излучении элементарного объема газа за единицу времени роль возбуждения преобладает, поскольку на один акт ионизации (рекомбинации) приходится много актов возбуждения. Рассмотрим сначала случай весьма разреженной комы, когда ударами второго рода можно пренебречь. Тогда процессы возбуждения и спонтанного излучения находятся в равновесии. Как показал Э. Эпик [428], кинетическая энергия испарившейся за малый интервал времени Д£ (At ~ 10~6 с) массы вещества метеороида ДМ, равная Де, = AM -j-, (19.1) диссипирует за время 8t ~ 10~4 с > At. Если на возбуждение частиц (атомов, молекул, ионов) сорта X за время 8t затрачивается доля энергии Де*, равная if*, а переходит в излучение за то же время доля энергии хх, то при 190 ГЛ. IV. СВЕЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ МЕТЕОРОВ отсутствии ударов второго рода %х = t|br. Величину %х назовем коэффициентом эффективности излучения частицы X [109]. Так, по расчетам А. Д. Дербеневой [74], для линии К Са II %х = 8,4 • 10~3, для линии D Na I %х = = 6,4 • 10~3. Расчеты проводились при v = 70 км/с для сильно дилютированной метеорной комы в азотной атмосфере. Как известно, фактором дилюции (разжижения) метеорной комы б называется отношение числа метеорных атомов в единице объема комы к числу атмосферных атомов в том же объеме. Учтем теперь удары второго рода. Пусть D — коэффициент тушения излучения за счет столкновений, или число ударов второго рода на атом в секунду, А{ = 2 ^ik — k эйнштейновский коэффициент затухания, т. е. обратная величина времени жизни 1-го состояния. Тогда возмущение возбужденного состояния, характеризуемого термом et, будет определяться величиной и = трртг- (19-2> Излучение некоторого мультиплета, характеризуемого верхним термом еп и нижним еА (en>eft), может осуществиться, как уже было сказано, в результате прямого возбуждения терма Еп и каскадных переходов с вышележащих термов е» (et>e„). Объединяя оба случая, положим для общности ъ\ > е„, т. е. i = п, п + 1, ... [104]. Введем величину fХ\, которую, следуя И. Н. Ковшу- ну [104], назовем продуктивностью спектрального излучения частицы X на длине волны К: 1а-^г- (1М) г где Ь» — доля энергии терма ег, переизлученная спонтанно в мультиплете со средней длиной волпы К; П — вероятность возбуждения терма е*. Очевидно, что Чх\ есть доля энергии г|э*Де*, перешедшая в излучение данного мультиплета. Суммируя величины *[хк для различных § 19. ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТЕОРОВ 191 мультиплетов данного атома, можно получить т*: ftx = ^xHiyxN, (19.4) N где N — обозначение мультиплета, соответствующее паре чисел щ к (соответственно обозначение Чх*. мы заменили на «(xn). Как продуктивность ^xn, так и коэффициент эффективности излучения %х, являются функциями фактора дилюции б, поскольку частота неупругих столкновений зависит от плотности метеорных частиц в коме. В еще большей степени зависит от б вероятность ударов второго рода, так как последние наиболее эффективны в случае, когда разность потенциальных энергий сталкивающихся частиц минимальна. Между тем более 80% уровней метеорных атомов, излучение с которых дает наиболее сильные линии в метеорных спектрах, имеет энергию возбуждения 2-^8 эВ, тогда как у атомов воздуха энергии возбуждения достигают 11 -ь 13 эВ [104]. Поэтому именно столкновения метеорных атомов друг с другом чаще всего приводят к безызлучательным переходам. Доля кинетической энергии Де*, перешедшая в излучение мультиплета N за время Ы (когда фактор дилюции б изменяется от начального значения бо до нуля), равна о *x* = .f Ухн (в)*Ыв) d6. (19.5) Полный коэффициент излучения метеорной комы в регистрируемой области спектра будет равен txx = 22*x*z*, (19.6) X N где кк — спектральная чувствительность приемника излучения на длине волны X. Для большинства возбужденных уровней время жизни tn ~ 10~7-^ 10~8 с [87, 104]. Поэтому заселение этих уровней возбуждением с основного состояния доминирует в том случае, если время между двумя последовательными неупругими столкновениями метеорной частицы tc > tn. 192 ГЛ. IV. СВЕЧЕНИЕ II СПЕКТРЫ МЕТЕОРОВ Чтобы убедиться, в каких случаях это неравенство выполняется, приведем табличку значений tc для разных высот и скоростей [109]:
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Природа излучения метеоров» з дисципліни «Фізика метеоритних явищ»
