Почему воздух светится ночью?

Рассмотрим происхождение ночного свечения атмосферы и попробуем объяснить, что заставляет воздух светиться ночью. Почему светится не вся атмосфера, а только ее сравнительно тонки слой? Светится ли воздух в другое время суток? Чтобы ответить на эти вопросы, приведем некоторые, самые общие сведения о состоянии воздуха на высотах свечения.

Как известно, плотность воздуха и его давление очень быстро уменьшаются по мере поднятия над земной поверхностью. Среднее давление воздуха в стандартной атмосфере у поверхности Земли на уровне моря равно 1013 гПа, на высоте около 5 км оно уменьшается вдвое, а на высоте 100 км давление измеряется уже десятитысячными долями гектопаскаля. Число молекул в единице объема воздуха на высоте 100 км меньше, чем у поверхности Земли, примерно в 3 млн. раз. Состав воздуха, такой, какой мы имеем у поверхности Земли, сохраняется неизменным только до высот порядка 80 - 100 км. В более высоких слоях под влиянием коротковолнового солнечного излучения происходит расщепление, или, как говорят, диссоциация молекул газов на атомы.

Чтобы разбить любую молекулу на атомы, надо затратить некоторую энергию, называемую работой диссоциации. Величина работы диссоциации зависит от строения молекулы. Энергией, достаточной для диссоциации молекул воздуха, обладают кванты ультрафиолетового излучения Солнца с длинами волн короче 0,175 мкм. Из основных газов атмосферы легче всего диссоциируется кислород.

В дневные часы, при освещении атмосферы солнечными лучами, происходит реакция диссоциации молекул кислорода:

(15.1)

Максимальная концентрация атомов кислорода создается на высотах 80 - 100 км. Диссоциация молекул азота происходит на больших высотах. При наступлении сумерек и ночи процесс диссоциации молекул прекращается и начинает преобладать процесс соединения атомов в молекулы. Эта реакция идет с выделением некоторого количества энергии u.

Установлено, что при столкновении друг с другом атомы кислорода практически не соединяются в молекулу. Воссоединение атомов происходит главным образом при так называемых тройных ударах, когда одновременно встречаются два атома кислорода с какой-то третьей частицей, назовем ее M:

(15.2)

Выделяемая энергия u = 5,17 эВ расходуется на возбуждение свечения третьей частицы М. Такой частицей может быть любой атом или молекула, линии и полосы свечения которых наблюдаются в спектрах ночного свечения атмосферы, например О, О₂, N₂, NO₂ и другие, а также в небольшом количестве ионы атомов и молекул, имеющиеся на этих высотах. Излучение гидроксила (ОН) и двуокиси азота (NO₂) возникает при реакциях, сопровождающих двойные удары. Вероятность двойных ударов значительно больше, чем тройных, ввиду малой плотности воздуха на указанных высотах:

(15.3)

(15.4)

Основные реакции, приводящие к свечению перечисленных газов, происходят главным образом на высотах 80 - 100 км. Поэтому этот слой часто называют химической лабораторией атмосферы.

Солнечные лучи пронизывают всю атмосферу, почему же свечение возникает только в определенном ее слое? Объясняется это тем, что яркость свечения будет тем больше, чем больше плотность воздуха и чем больше интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца. Оба эти фактора, определяющие свечение воздуха, изменяются очень быстро и как раз в противоположных направлениях. Плотность воздуха с высотой убывает, а плотность ультрафиолетового потока от Солнца - возрастает. Поэтому на некоторой высоте, в каком-то довольно тонком слое, создаются наиболее благоприятные (оптимальные) условия, когда еще достаточны и плотность воздуха и интенсивность излучения. Ввиду того что у каждого газа своя величина работы диссоциации, максимумы диссоциации и свечения у разных газов возникают на разных высотах. На высотах 250 - 300 км, где находится максимум концентрации электронов и ионов в ионосфере, реакция происходит с участием положительно заряженных ионов атомов кислорода (O⁺), молекул кислорода (О₂)⁺, окиси азота (NO⁺) и других ионов.

Яркость отдельных линий и полос в спектре ночного неба, а также общая яркость неба могут значительно изменяться как в течение одной ночи, так и от ночи к ночи. Интенсивность многих линий, например обеих красных линий атомарного кислорода, увеличивается в несколько раз, достигая максимума в 1 - 2 часа ночи.