Фон свечения атмосферы

Кроме теплового равновесного излучения атмосферы, всегда присутствует неравновесное излучение. Оно вызвано рядом физических и химических процессов, которые имеют место при взаимодействии оптической и жесткой солнечной радиации с атмосферой.

Результатом этих процессов является слабая люминесценция, которую принято называть свечением атмосферы.

Характерным для этого неравновесного излучения атмосферы является значительная селективность. В видимой области спектр свечения является линейчатым, а в ИК области эмиссионные линии имеют несколько большую спектральную ширину.

При работе оптико-электронных систем в ночное время свечение атмосферы во многих случаях оказывается существенной фоновой помехой.

В настоящее время механизмы возбуждения многих эмиссий полностью не исследованы. Поэтому существует лишь условное разграничение понятий процессов, приводящих к селективному свечению атмосферы. Принято различать полярные сияния, свечение ночного, сумеречного и дневного неба.

● Обычно полярные сияния определяются как спорадическое электромагнитное излучение. Оно "генерируется" (испускается) верхними слоями атмосферы при возбуждении их солнечными корпускулярными потоками.

Временная переменность полярного сияния является одним из отличительных признаков в сравнении с относительно постоянным свечением неба.

● Основными механизмами, вызывающими свечение, являются люминесценция и резонансное рассеяние. Эти механизмы и обусловливают большую селективность излучения атмосферы.

Люминесценция – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением и продолжающееся в течении времени, много больше периода световых колебаний.

Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения. Она говорит о том, что понятие люминесценции применимо только к совокупности атомов (или молекул), находящихся в состоянии близком к равновесному. При сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или люминесценции не имеет смысла.

Тепловое излучение в видимом диапазоне спектра заметно (только) при температуре тела в несколько сотен или тысяч градусов, в то время как люминесцировать оно может при любой температуре. Поэтому люминесценцию называют холодным свечением.

Вторая часть определения (признак длительности) была введена С.Вавиловым, чтобы отделить люминесценцию от различных видов рассеяния света, отражения света, параметрического преобразования света, тормозного излучения и Черенкова-Вавилова излучения. (Излучение Черенкова-Вавилова это излучение света частицей, возникающее при ее движении в среде с постоянной скоростью v, превышающей фазовую скорость в этой среде, то есть скорость распространения световых волн).

От различных видов рассеяния люминесценция отличается тем, что при ней между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы. Длительность промежуточных процессов больше периода колебания световой волны. В результате этого при люминесценции теряется корреляция между фазами колебаний поглощенного и излученного света.

Излучение люминесценции лежит в ближнем УФ, в видимом и ИК диапазонах спектра. (Северное сияние это проявление люминесценции).

Люминесценцию классифицируют по 1) типу возбуждения, 2) механизму преобразования энергии, 3) временным характеристикам свечения.

По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение среды светом); радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией: рентгенолюминесценция, катодолюминесценция, ионолюминесценция, − люминесценция); электролюминесценцию (возбуждение среды электрическим током; триболюминесценцию (возбуждение среды при механических воздействиях); хемилюминесценцию (возникает при химических реакциях),

По длительности свечения различают флуоресценцию (это быстро затухающая люминесценция) и фосфоресценция (длительная люминесценция). Это деление условное, так как нельзя указать строго определенной временной границы. Временная граница зависит от временного разрешения регистрирующих излучение приборов.

По механизму элементарных процессов (механизму преобразования поглощенной энергии) различают резонансную, спонтанную и рекомбинационную флуоресценцию.

Рекомбинационная флуоресценция происходит в основном в конденсированных средах и кристаллах, где велика роль обменных процессов.

В газах, где малая концентрация атомов, обменные процессы передачи энергии играют малую роль.

Спонтанную флуоресценцию называют также широкополосной флуоресценцией.

Вообще-то элементарный акт люминесценции можно понять из следующей схемы энергетических уровней (см. рис).

Он состоит из поглощения энергии с переходом атома (молекулы) с основного уровня энергии 1 на возбужденный уровень 3; далее безизлучательного перехода 3 2 и излучательного перехода 2 2.