Airglow

Слабое излучение света атмосферой планеты

Airglow над платформой VLT

Airglow (также называемый nightglow ) - слабое излучение света планетарной атмосферой. В случае атмосферы Земли это оптическое явление заставляет ночное небо никогда не быть полностью темным, даже после воздействия звездного света и рассеянный солнечный свет с дальней стороны удаляются.

Содержание

• 1 История
• 2 Описание
• 3 Расчет
• 4 Индуцированное свечение воздуха
• 5 Экспериментальное наблюдение
• 6 Наблюдение за свечением воздуха на других планетах
• 7 Галерея
• 8 См. Также
• 9 Источники
• 10 Внешние ссылки

История

Свечение воздуха в Оверни (Франция) 13 августа 2015 г.

Явление свечения воздуха было впервые обнаружено в 1868 г. шведским физиком Андерсом Ангстремом. С тех пор его изучали в лаборатории, и наблюдали различные химические реакции с выделением электромагнитной энергии как часть процесса. Ученые определили некоторые из этих процессов, которые могут присутствовать в атмосфере Земли, и астрономы подтвердили, что такие выбросы присутствуют.

Описание

Комета Лавджоя, проходящая за светом Земли 22 декабря 2011 года, снята с МКС

Свечение воздуха вызвано различными процессами в верхних атмосфере Земли, например, рекомбинация атомов, которые были фотоионизированы Солнцем в течение дня, люминесценция, вызванная космическими лучами, падающими на верхние слои атмосферы, и хемилюминесценция, вызванная, главным образом, кислородом и азотом, реагирующими со свободными радикалами гидроксил на высоте нескольких сотен километров. Днем оно незаметно из-за бликов и рассеяния солнечного света .

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

. Сияние воздуха ночью может быть достаточно ярким для наземный наблюдатель заметит, и в целом кажется голубоватым. Хотя свечение атмосферы довольно равномерно, оно кажется наиболее ярким примерно на 10 ° над горизонтом наблюдателя, поскольку чем ниже виден свет, тем больше масса атмосферы, сквозь которую он смотрит.. Однако очень низко вниз атмосферное поглощение снижает кажущуюся яркость свечения воздуха.

Один из механизмов свечения воздуха - это когда атом азота соединяется с атомом кислорода с образованием молекулы оксида азота (NO). При этом испускается фотон . Этот фотон может иметь любую из нескольких различных 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 с друг друга, чтобы сформировать NO. Другие вещества, которые могут создавать свечение в атмосфере, - это гидроксил (OH), атомарный кислород (O), натрий (Na) и литий (Li).

Яркость неба обычно составляет измеряется в единицах видимой величины на квадрат угловой секунды неба.

Расчет

Свечение над горизонтом, снятое с ISS.Play media Airglow. Два изображения неба над HAARP Gakona, использующая ПЗС-матрицу с охлаждением NRL на длине волны 557,7 нм. Поле зрения составляет примерно 38 °. На левом изображении показано звездное поле на заднем плане с выключенным ВЧ передатчиком. Правое изображение было получено через 63 секунды при включенном ВЧ-передатчике. Структура очевидна в области излучения.

Чтобы рассчитать относительную интенсивность свечения воздуха, нам нужно преобразовать видимые величины в потоки фотонов; это явно зависит от спектра источника, но мы сначала проигнорируем это. Для видимых длин волн нам нужен параметр S 0 (V), мощность на квадратный сантиметр апертуры и на микрометр длины волны, создаваемой звездой нулевой величины, для преобразования видимых величин в потоки - S 0 (V) = 4,0 × 10 Вт · см · мкм. Если мы возьмем пример звезды с V = 28, наблюдаемой через обычный фильтр с полосой V (B = 0,2 мкм, частота ν ≈ 6 × 10 Гц), то количество фотонов, которые мы получаем на квадратный сантиметр апертуры телескопа в секунду из источник - N s:

$N\; s\; =\; 10–28\; /\; 2,5\; \times \; S\; 0\; (V)\; \times \; B\; h\; \nu \; \{\backslash \; displaystyle\; N\_\; \{s\}\; =\; 10\; ^\; \{-\; 28\; /\; 2,5\}\; \backslash \; times\; \{\backslash \; frac\; \{S\_\; \{0\}\; (V)\; \backslash \; times\; B\}\; \{h\; \backslash \; nu\}\}\}$

(где h - постоянная Планка ; hν - энергия одиночного фотона с частотой ν).

В диапазоне V излучение от свечения атмосферы составляет V = 22 на квадратную угловую секунду на высотной обсерватории в безлунную ночь; в условиях отличного видения изображение звезды будет составлять около 0,7 угловой секунды в поперечнике с площадью 0,4 квадратной угловой секунды, и, таким образом, свечение атмосферы над площадью изображения соответствует примерно V = 23. Это дает количество фотонов от свечения воздуха, N a:

$N\; a\; =\; 10\; -\; 23\; /\; 2.5\; \times \; S\; 0\; (V)\; \times \; B\; h\; \nu \; \{\backslash \; displaystyle\; N\_\; \{a\}\; =\; 10\; ^\; \{-\; 23\; /\; 2.5\}\; \backslash \; times\; \{\backslash \; frac\; \{S\_\; \{0\}\; (V)\; \backslash \; times\; B\}\; \{h\; \backslash \; nu\}\}\}$

Отношение сигнал-шум для идеального наземного наблюдения с помощью телескопа области A (без учета потерь и шум детектора), возникающий из статистики Пуассона, составляет только:

$S\; /\; N\; =\; A\; \times \; N\; s\; N\; s\; +\; N\; a\; \{\backslash \; displaystyle\; S\; /\; N\; =\; \{\backslash \; sqrt\; \{A\}\}\; \backslash \; times\; \{\backslash \; frac\; \{N\_\; \{s\}\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{N\_\; \{s\}\; +\; N\_\; \{a\}\}\}\}\}$

Если предположить, что идеальный наземный телескоп диаметром 10 м и неразрешенная звезда: каждую секунду, более участок размером с увеличенное изображение звезды, 35 фотонов приходят от звезды и 3500 от свечения воздуха. Таким образом, в течение часа примерно 1,3 × 10 прибывает из свечения воздуха и примерно 1,3 × 10 прибывает из источника; поэтому отношение сигнал / шум составляет примерно:

$1,3\; \times \; 10\; 5\; 1,3\; \times \; 10\; 7\; \approx \; 36.\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{1,3\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{5\}\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{1,3\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{7\; \}\}\}\}\; \backslash \; около\; 36.\}$

Мы можем сравнить это с «реальными» ответами калькуляторов времени воздействия. Для 8-метрового телескопа Very Large Telescope, согласно калькулятору времени экспозиции FORS, вам потребуется 40 часов наблюдений, чтобы достичь V = 28, в то время как 2,4-метровому телескопу Хаббла требуется всего 4 часа. часов согласно калькулятору времени выдержки ACS. Гипотетический 8-метровый телескоп Хаббла займет около 30 минут.

Из этого расчета должно быть ясно, что уменьшение размера поля обзора может сделать более слабые объекты более заметными при воздушном свечении; К сожалению, методы адаптивной оптики, которые уменьшают диаметр поля обзора земного телескопа на порядок, пока работают только в инфракрасном диапазоне, где небо намного ярче. Космический телескоп не ограничен полем обзора, так как на него не влияет свечение воздуха.

Индуцированное воздушное свечение

SwissCube-1 - первое изображение Земли, полученное в результате свечения атмосферы (с зеленым смещением от ИК ), сделанное 3 марта 2011 года.

Научные эксперименты были проведены для создания свечения атмосферы путем направления мощного радиоизлучения на ионосферу Земли. Эти радиоволны взаимодействуют с ионосферой, индуцируя слабый, но видимый оптический свет на определенных длинах волн при определенных условиях. Эффект также наблюдается в радиочастотном диапазоне с помощью ионозондов.

Экспериментальное наблюдение

SwissCube-1 - это швейцарский спутник, эксплуатируемый Федеральной политехнической школой Лозанны.. Космический корабль представляет собой единый блок CubeSat, который был разработан для проведения исследований свечения атмосферы Земли и разработки технологий для будущих космических кораблей. Хотя SwissCube-1 довольно мал (10 x 10 x 10 см) и весит менее 1 кг, он оснащен небольшим телескопом для получения изображений свечения атмосферы. Первое изображение SwissCube-1 появилось 18 февраля 2011 г. и было довольно черным с некоторым тепловым шумом. Первое изображение свечения было получено 3 марта 2011 года. Это изображение было преобразовано в человеческий оптический диапазон (зеленый) по результатам измерения в ближней инфракрасной области. Это изображение обеспечивает измерение интенсивности явления свечения воздуха в ближнем инфракрасном диапазоне. Диапазон измерения составляет от 500 до 61400 фотонов с разрешением 500 фотонов.

Наблюдение за свечением воздуха на других планетах

Venus Express космический аппарат содержит инфракрасный датчик , который обнаружил излучение в ближнем ИК-диапазоне из верхних слоев атмосферы Венеры. Выбросы происходят от оксида азота (NO) и от молекулярного кислорода. Ученые ранее определили в лабораторных испытаниях, что во время производства NO возникают излучения ультрафиолета и излучения в ближнем ИК-диапазоне. Ультрафиолетовое излучение было обнаружено в атмосфере, но до этой миссии создаваемое атмосферой излучение в ближнем ИК-диапазоне было только теоретическим.

Галерея

• 

  Оттенки красного и зеленого, освещающие небо, вызваны свечением воздуха.

• 

  Свечение над обсерваторией Параналь.

• 

  Свечение в Оверни (Франция) 13 августа 2015 г.

См. Также

• Земной свет
• Ионизированное воздушное свечение
• Оптические явления
• Полярное сияние
• Зодиакальный свет

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Airglow.

• Описание и изображения
• Информация о яркости неба для Обсерватория Роке-де-лос-Мучачос
• Ночное свечение обнаружено на Марсе Интервью Space.com
• Стереоскопические наблюдения свечения HAARP от HIPAS, Poker Flat и Nenana, Аляска, РФ Wuerker et al.
• Улучшенное отношение сигнал / шум холодного фотонного детектора для измерений с помощью интерферометра Фабри-Перо слабого свечения воздуха, выполненных Т.П. Дэвисом и П.Л. Дайсоном.
• Справочник по спектрографу для получения изображений с помощью космического телескопа. 13
• SwissCube | Первый швейцарский спутник