5. Спектроскопия молнии

5.1. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Спектр молнии представляет собой более или менее интенсивный непрерывный спектр, пересеченный многочисленными яркими линиями, настолько многочисленными, что возникают затруднения в их распознавании. Эти затруднения возрастают в результате зависимости характера спектра от силы освещения. Изменчивость спектра является специфической его чертой! Происходит неравномерное изменение яркости спектра, а также изменение относительных интенсивностей различных линий и разных участков непрерывного спектра.

Гершель Дж., К вопросу о спектре молнии, Proc. Roy. Soc. (London), 15, 61—62 (1868).

Все исследователи спектров молнии уверены в том, что они видят линейчатый спектр азота; кроме того, многие из них замечают иногда непрерывный спектр, а иногда — полосчатый, химическая природа которых неизвестна.

Шустер А., К вопросу о спектрах молнии, Proc. Roy. Soc. (London), 3, 46—52 (1880).

Спектроскопия молнии существует более столетия. Таким образом, как диагностическая методика исследования молнии она предшествовала использованию фотографии, регистрации электрических и магнитных полей, а также измерениям тока.

В спектроскопии излучение (свет) источника разлагается по длинам волн, а затем анализируются характерные черты спектра. Спектр ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных лучей обычно получают при пропускании исследуемого света через диспергирующую призму или через дифракционную решетку или при отражении от нее. Спектрографы для исследования молнии распадаются на два основных типа: щелевые и бесщелевые. В щелевом приборе строятся монохроматические изображения тонкой щели, которая помещена перед диспергирующим

элементом и освещается исследуемой молнией. В бесщелевом приборе, в котором свет от канала непосредственно попадает на диспергирующий элемент, происходит дисперсия изображения канала доолнии. Результирующий спектр представляет собой серии монохроматических изображений (спектральных линий) канала молнии, наложенных на непрерывный спектр. Спектрометры для изучения молнии более подробно будут рассматриваться в разд. 5.2.

Примерно до 1900 г. большинство спектроскопических исследований молнии было посвящено визуальному определению основных характеристик спектра молнии и идентификации длин волн наиболее ярких спектральных линий, т. е. прибором, регистрирующим спектр молнии, был глаз человека. Большинство важнейших работ по спектроскопии молнии, выполненных до 1880 г., рассматривается в обзоре Шустера [48]. Исследователи, работавшие в XIX в., смогли выделить в спектре молнии сильные линии водорода и азота и определить их длины волн с удивительно большой точностью.

По-видимому, первый спектр молнии, зарегистрированный на фотопластинке, получил Мейер [30]. Результаты Мейера были малоудовлетворительны, но они доказали, что спектры молнии можно получить, помещая диспергирующий элемент (Мейер применил дифракционную решетку) перед обычной фотокамерой. Пикеринг [40] опубликовал первую хорошую фотографию спектра молнии. Эти спектры были получены Фризе, который поместил призму перед телескопом. Пикеринг отметил, что от вспышки к вспышке меняются существенные детали спектра молнии. Фокс [10] сравнил спектры молнии, полученные бесщелевым спектрографом, со спектром лабораторной искры в воздухе, полученным щелевым спектрографом, а также со спектрами молнии, полученными ранее другими исследователями. Он отметил, что относительная интенсивность пар линий может меняться между верхним и нижним концом канала молнии. Ларсен [27] опубликовал два спектра молнии, полученные с помощью бесщелевого спектрографа, и сравнил их со спектром искры. Стедворси [50] получил таким же спектрографом спектры молнии, которые проанализировал Кеннон [1]. Вероятно,

наилучшей из ранних работ по спектроскопии молнии была работа Слайфера [49], которому принадлежит первое сообщение о фотографической регистрации спектров молнии щелевым спектрографом. Щелевой спектрограф, как будет показано в разд. 5.2, позволяет точнее определять длины волн, чем бесщелевой. Слайфер выделил с хорошей точностью важнейшие спектральные линии молнии в интервале длин волн от 3830 до 5000 А; идентифицированные им линии принадлежали либо кислороду, либо азоту. Затем он сравнил свои результаты с измерениями длин волн спектра лабораторной искры и с результатами Пикеринга и Фокса. Данные Слайфера хорошо согласуются с результатами, полученными в работах [1, 50].

Можно считать, что работа, которую выполнил Дюфей [3], завершает ранние спектроскопические исследования молнии. Используя щелевой спектрограф, он получил спектральные данные в интервале длин волн от 2860 до 6550 А. Дюфей впервые получил спектры молнии в ультрафиолетовой области и смог выделить ряд молекулярных полос в спектре молнии. Когда он проводил свои эксперименты, современная атомная физика находилась еще в процессе становления. Модель атома Бора, которая успешно объясняла структуру некоторых спектральных линий, была заменена в 20-х годах квантовомеханическим описанием. Без современной атомной физики не могла бы далее развиваться спектроскопия молнии.