Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
квадрату разности энергии между верхним и нижним состояниями, т. е.
скорость определяется эйнштейновским коэффициентом А. Поскольку разность
энергий между основным состоянием и несколькими первыми возбужденными
состояниями в общем случае велика, а разность энергий между несколькими
первыми возбужденными состояниями и более высокими возбужденными
состояниями обычно мала, скорость излучательного распада не может намного
возрасти с увеличением энергетического уровня. В действительности с
увеличением энергетического уровня она может даже уменьшаться.
Чтобы определить для заданных концентрации и температуры электронов
энергетические уровни, выше которых для данного типа атомов справедливо
распределение Больцмана, необходимы детальные расчеты, учитывающие
вероятности перехода, сечения столкновений и т. д. Расчеты такого типа
провели Грим [12] и Сэмпсон [47]. По-видимому, чтобы распределение
Больцмана выполнялось для основных состояний атомов воздуха выше 20 ООО
К, нужна концентрация электронов выше 1024 м_3. Как будет показано в
разд. 5.5.2, концентрация электронов на ранних стадиях возвратного удара
близка к 1024 м_3, однако для последних стадий она снижается до 1023 м~3.
Видимые линии, испускаемые каналом возвратного удара, вызваны главным
образом переходами в ионе N11 между уровнями при наивысшем уровне п = 3
или выше. Именно по излучению N11 была определена температура молнии.
Можно показать (согласно критерию Грима [12]), что при концентрации
электронов порядка 1023 м~3 для температур от 13 ООО до свыше 35 ООО К
распределение Больцмана выполняется на наивысшем энергетическом уровне п-
3 и выше него для переходов в N11. Более того, можно показать (опять
согласно критерию Грима), что для этих температур будет сохраняться
распределение Больцмана в интервалах времени ~0,1 мкс, а также будет
поддерживаться равновесие между средними энергиями электронов и тяжелых
частиц воздуха. Поскольку столкновения электронов ответственны за
поддержание
208
5. Спектроскопия молнии
распределения Больцмана, температура, определенная из
(5.7) по линиям, соответствующим переходам N11 выше наивысшего уровня п =
3, соответствует, строго говоря, температуре электронов. (Температура,
определенная таким образом, именуется температурой возбуждения.) Однако,
поскольку для интересующих нас температур выше 13 ООО К все частицы в
канале разряда будут в интервалах времени ~0,1 мкс иметь по существу
одинаковые средние кинетические энергии, эту температуру естественно
назвать температурой канала даже в отсутствие "полного" ЛТР.
Для детального обсуждения условий, при которых можно ожидать ЛТР, и
критерия его существования читатель отсылается к работам Грима [12] и
Сэмпсона [47].
В настоящее время нет смысла пытаться измерять излучение как функцию
радиуса канала. Следовательно, все спектры молнии, полученные до сих пор,
в лучшем случае характеризуют суммарное излучение на данной длине волны,
испускаемое коротким отрезком канала, без учета места внутри канала, где
возникло излучение. Спектры молнии проще всего проанализировать, если
предположить, что в данный момент физические условия постоянны по всему
поперечному сечению канала. Истинное распределение температуры по радиусу
канала определяется главным образом исходя из возможного механизма отвода
тепла из канала. Если, например, преобладает теплопроводность, то должен
быть градиент температуры по радиусу канала, т. е. температура
уменьшается от центра канала к его периферии. Если преобладающим
механизмом является излучение, то распределение температуры по радиусу
канала будет относительно равномерным. Следует ожидать, что распределение
температуры будет изменяться со временем.
6.4. СПЕКТРОСКОПИЯ МОЛНИИ, 1940-1960 ГГ.
С 1940 по 1960 г. было опубликовано около 15 статей, в которых
приводились данные относительно спектроскопии молнии. Все полученные
спектры были интегральными по крайней мере за время одной вспышки.
Спектры
5.4. Спектроскопия молнии, 1940-1960 гг.
209
отдельных вспышек регистрировались с помощью бесще-левых спектрографов.
(Чтобы получить спектр с помощью щелевого спектрографа, необходимо из-за
относительно низкой светосилы прибора суммировать выдержку от ряда
вспышек.) Основной упор в спектроскопических исследованиях 1940-1960 гг.
делался на идентификацию линий и полос в спектре молнии и связь этих
спектральных особенностей с определенными переходами из состояния в
состояние молекул, атомов и ионов в молниевом разряде. В процессе этих
исследований были идентифицированы спектральные характеристики молнии в
интервале длин волн примерно от 2§00 до 9100 А. В этом разделе мы
рассмотрим результаты зтих спектроскопических исследований. 4
В работе 1941 г. ЩЛ и в последующей статье [19] Израэль и Вурм
представили результаты исследования молнии, выполненные с помощью
бесщелевого спектрографа. Они составили список наблюдаемых спектральных
линий по предполагаемым мультиплетам и дали верхние энергетические уровни
