5.4. 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

отдельных вспышек регистрировались с помощью бесщелевых 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 до 9100 А. В этом разделе мы рассмотрим результаты этих спектроскопических исследований. 4

В работе 1941 г. 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 (потенциалы возбуждения) для этих линий. Спектр молнии состоит преимущественно из спектральных линий нейтральных и однократно ионизированных атомов азота и кислорода, наложенных на непрерывный спектр; спектральных линий от двукратно ионизированных элементов не наблюдалось. Кроме того, Израэль и Вурм идентифицировали некоторые линии бальмеровской серии водорода и полосы молекулярных спектров, вызванные (первая отрицательная система около 3914 А) и (вторая положительная система около 3370 А). Интенсивность спектральных линий с высоким потенциалом возбуждения уменьшается с увеличением высоты исследуемого участка канала по отношению к линиям с низким потенциалом возбуждения. На тех спектрах, которые соответствовали месту контакта разряда молнии с землей, обнаружены линии кальция.

В 1943 г. Николе [32] провел классификацию данных [49] спектроскопии молнии по мультиплетам и дал списки спектральных линий по элементам и по стадиям ионизации.

В серии из пяти статей М. Дюфей, Дж. Дюфей и М. Ченг опубликовали результаты спектрального исследования молнии в интервале длин волн от 2910 до 6570 А.

В исследовании использовались как щелевой, так и бесщелевой спектрографы. М. Дюфей [4] привел спектры молнии в фиолетовой и ультрафиолетовой областях; Дюфей и Ченг [7] получили спектры в интервале длин волн от 3830 до 5670 А с помощью щелевого спектрографа; Дюфей и Дюфей [6] опубликовали анализ спектров молнии, полученных с помощью щелевого спектрографа.

Интенсивность линий ионизированных атомов азота и кислорода уменьшается по направлению от земли к облаку, и эти результаты [6] подтверждают наблюдения Израэля и Вурма [18]. Исходя из штарковского уширения линии бальмеровской серии водорода, можно определить степень ионизации капала молнии. Доля ионизированных атомов и молекул составляла около что, очевидно, далеко от истины (см. в разд. 5.5.2 результаты по последним измерениям штарковского уширения). Дюфей и Ченг [7,8] привели данные анализа десяти спектрограмм, полученных на щелевом спектрометре. Они составили детальный список спектральных линий, их длин волн, обозначений мультиплетов и потенциалов возбуждения. Доказано также существование отрицательных полос положительных систем и ряда других систем полос, включая абсорбционную полосу паров воды. Дюфей и Ченг отметили заметную разницу в предполагаемой степени возбуждения от спектра к спектру, которые были получены при помощи щелевого спектрографа. Они классифицировали спектры по степени возбуждения на спектры с сильным, средним, слабым и очень слабым возбуждением. Спектр с сильным возбуждением характеризуется сильными ионными линиями, слабыми линиями и полосами нейтральных атомов или вообще их отсутствием; спектр с очень слабым возбуждением характеризуется отсутствием линий от ионов и наличием спектральных полос и некоторых линий нейтральных атомов.

Следует иметь в виду, что спектр, полученный с помощью щелевого спектрометра, по существу является наложением спектров ряда разрядов молнии и спектров со всех точек разряда, включая точки внутри облака. М. Дюфей [4,5] исследовал фиолетовую и ультрафиолетовую части спектра молнии. Был получен только один спектр.

Наблюдение спектра со стороны наиболее коротких длин волн было ограничено сильной полосой поглощения озона вблизи 2900 А. Ультрафиолетовый спектр характеризуется сильным непрерывным спектром, на который наложены спектральные линии и молекулярные эмиссионные полосы. Единственный исследованный спектр был отнесен к категории спектров со слабым возбуждением, поскольку он состоял из большого количества сильных полос, а наблюдаемые линии были немногочисленны и неинтенсивны. Дано детальное описание наблюдаемых линий и спектральных полос. Дюфей провел идентификацию

23 тонкоструктурных пиков в полосе системы и 25 таких пиков во второй положительной системе Предварительно были идентифицированы системы полос и Исходя из изменения поглощения озоном с длиной волны, Дюфей рассчитал количество озона, которое находится между спектрометром и эффективным источником излучения. О поглощении озоном мы будем говорить еще в разд. 5.5.1.

С 1950 по 1952 г. было опубликовано три статьи относительно инфракрасного спектра молнии. Джозе [20] сообщил, что в инфракрасном спектре в интервале от 7400 до 8800 А, полученном щелевым спектрографом, наблюдались исключительно спектральные линии нейтральных кислорода и азота; он дал таблицу этих линий. Петри и Смол [39] получили с помощью щелевого спектрографа спектр молнии в интервале от 7100 до 9100 А. Петри и Смол нашли 13 линий, принадлежащих нейтральному аргону. Наклес и Свенсон [22] проводили исследования в интервале длин войн от 6159 до 7157 А и обнаружили две ранее не наблюдавшиеся и ряд ошибочно идентифицированных спектральных линий нейтральных кислорода и азота.

Васси [57] сравнила разрешенный во времени спектр лабораторной искры в воздухе с интегральными спектрами молнии, полученными предыдущими исследователями. Она пришла к выводу, что спектры молнии наиболее подходят к той части спектров лабораторной искры, которые сняты после так называемого «основного разряда» короткого периода (1 мкс) высокой степени возбуждения и,

очевидно, большого тока. В лабораторной искре так называемый период «послесвечения» продолжается около 20 мкс. Васси предположила, что характеристики интегрированных по времени спектров молнии принадлежат главным образом продолжительному «послеразряду», и, следовательно, характеристические уровни возбуждения, полученные из этих спектров, не являются показательными для кратковременного основного разряда молнии. В разд. 5.5.2. мы будем рассматривать определение свойств возвратного удара на основе спектров молнии, полученных как с интегрированием, так и с разрешением во времени (от 2 до 5 мкс).

Волас [58] провел анализ спектра молнии в близкой ультрафиолетовой области в интервале длин волн от 3670 до 4280 А. Подтвердив ранее обнаруженные линии и полосы, Волас впервые обнаружил в спектре молнии систему полос в фиолетовой области. Кроме того, он оценил температуру, которая необходима, чтобы получить наблюдаемое отношение интенсивностей двух областей полосчатого спектра . Волас предположил, что вращательная температура заключена в интервале от 6000 до 30 000 К.

Ху [16] сообщил о получении при помощи щелевого спектрографа спектров в интервале длин волн от 2750 до 7000 А. Он привел репродукции спектров молнии и спектра высокочастотного стационарного воздушного разряда, полученного с помощью генератора Тесла.