Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
использованию уравнения Саха, поскольку термодинамические данные являются
результатом решения системы уравнений Саха, уравнения сохранения заряда и
уравнения баланса масс.
Строго говоря, уравнение Саха справедливо только в том случае, если
поддерживается ЛТР. На практике уравнение Саха часто используется в
случаях, при которых существование ЛТР сомнительно. Имеются, как будет
показано далее, некоторые сомнения, существует ли ЛТР внутри канала
молнии. Трудно определить, какие возникают ошибки при использовании
уравнения Саха, когда действительно существуют отклонения от ЛТР.
К счастью, концентрация электронов может быть определена без
предположения о существовании ЛТР. Ширина спектральной линии, которая
увеличивается преимущественно в результате эффекта Штарка, зависит,
главным образом, от концентрации заряженных частиц и в небольшой степени
от их энергии. Штарковское уширение, ширина и профили ряда спектральных
линий приведены у Грима [12]. Водород присутствует в канале импульса
молнии из-за разложения паров воды, и линия На бальме-ровской серии
подвергается значительному штарковскому уширению, так что измерение ее
ширины может быть использовано для определения концентрации электронов.
На рис. 5.7 приведена зависимость концентрации электронов от ширины линии
На на высоте, равной половине интенсивности. Теоретические штарковские
профили баль-меровской серии водорода были подтверждены экспериментально
[61].
Рассмотрим вопрос о прозрачности канала. Прозрачность определяется
следующим образом: если две спект-
5.3. Теория
ральные линии, согласно (5.6), порождаются в оптически тонком газе при
переходах с одного и того же или близких верхних энергетических уровней,
то отношение их интенсивностей зависит только от атомных констант и не
зависит от температуры (экспонента близка к единице). Таким образом,
теория может предсказать отношение
Полуширина А
Рис. 5.7. Теоретическая кривая зависимости концентрации электронов при 20
ООО К от ширины линии На на высоте половины интенсивности [53].
интенсивностей некоторых пар линий, если канал оптически тонок. Если
измерения подтверждают теорию, то это является строгим доказательством
того, что канал является оптически тонким для тех областей длин волн, где
проводилось определение прозрачности.
Мы будем рассматривать характерные примеры определения прозрачности в
разд. 5.5.2. Для определения прозрачности используем уравнение (5.6),
которое справедливо для равновесных условий. Однако это уравнение с
экспоненциальным членом, равным единице, может быть с хорошим
приближением справедливо для спектральных линий, которые возникают при
переходах с близко расположенных верхних энергетических уровней даже в
отсутствие ЛТР. Это будет так, если 1) рассматриваемые верхние
энергетические уровни подчиняются распределе-
206
5. Спектроскопия молнии
нию Больцмана (что связано со столкновениями, которые вызывают переходы
между этими близко расположенными энергетическими уровнями) или 2) если
поперечное сечение возбуждения исследуемых атомов столкновениями с
переходом на рассматриваемые верхние энергетические уровни
пропорционально статистическим весам энергетических уровней.
Рассмотрим далее вопрос, будет ли существование ЛТР в молниевом канале
функцией координат и времени. Механизм поддержания ббльцмановского
распределения энергетических уровней в плазме молнии состоит в
динамическом равновесии между возбуждением за счет столкновений с
электронами и возвращением в равновесное состояние за счет столкновений
[12]. Вообще, для фиксированных электронной концентрации и электронной
температуры и для данного типа атомов существуют энергетические уровни,
выше которых распределение Больцмана сохраняется, а ниже нет. Можно
ожидать, что распределение Больцмана существует выше данного
энергетического уровня, если выше этого уровня процессы, связанные со
столкновениями (возбуждение и возвращение в равновесное состояние за счет
столкновения с электронами), преобладают над процессами излучения
(излучательный распад и рекомбинация).
Скорости переходов, связанные с излучением и со столкновениями, для
данного перехода пропорциональны силе осциллятора перехода. Сила
осциллятора для излучения определяется эйнштейновской вероятностью
перехода и выражается следующим образом:
f = ^rrrA> <5-10)
2п е2 ч2
где е - заряд электрона, с - скорость света и г0 - диэлектрическая
проницаемость вакуума. Сила осциллятора не может превышать единицу.
Поперечное сечение возбуждения за счет столкновений примерно обратно
пропорционально разнице энергий уровней, между которыми совершается
переход, и поскольку энергетические уровни обычно сближаются с
увеличением энергии, скорость возбуждения за счет столкновений
увеличивается с энергией. Наивысшие скорости распада с излучением со-
5.S. Теория
207
ответствуют возбуждению в основном состоянии или в состояниях, близких к
нему. Скорость излучательного распада пропорциональна силе осциллятора и
