Поворотный пункт в спектроскопии молний

В нынешнем столетии были получены великолепные фотографии молнии - как непосредственные ее изображения (см. Старейшая фотография молнии), так и спектрограммы, на которых свет молнии разложен на отдельные компоненты по длинам волн. Однако приведенный здесь спектр, который был получен с помощью аэрофотокамеры на бесщелевом спектрографе с прозрачной дифракционной решеткой, открыл, по словам одного физика, "новую эру в спектроскопии молний". Можно сказать, что этот удар молнии разом изменил наши представления о ее спектре.

Спектрографы, оснащенные призмой или дифракционной решеткой, разлагают свет в "радугу". Свет, проходящий через щель обычного спектроскопа, образует изображения щели во всем спектральном диапазоне, который пропускает призма или решетка. Спектроскопия молнии при помощи щелевого спектрографа сопряжена с одной проблемой: у нас нет никаких гарантий, что молния появится именно там, куда обращена щель прибора. Поэтому вполне вероятно, что в действительности будет зарегистрирована не сама молния, а ее отражение.

В этом отношении гораздо удобнее пользоваться бесщелевым спектрографом, в котором приходящий свет разлагается в горизонтальную полосу спектра. В таком случае вертикальный разряд будет представлен в виде серии параллельных изображений, каждое из которых соответствует определенной длине волны (как это и видно на снимке); правда, изображения горизонтального разряда (из облака в облако) здесь накладываются друг на друга. На приведенной фотографии удар молнии, к счастью, произошел точно перпендикулярно к горизонту, так что полученный результат можно рассматривать как трехмерный график, где по горизонтальной оси отложена длина волны, а по вертикальной - ордината точки разряда, а также дается интенсивность в любой точке разряда.

Самая ранняя из сохранившихся спектрограмм молнии, полученных на бесщелевом спектрографе, была сделана в 1901 г. Э. Пикерингом в Гарвардской обсерватории. Спектральный диапазон ее, однако, был весьма ограничен, поскольку использованная при этом стеклянная призма имела узкую полосу пропускания. Уильям Крукс пытался обойти эту трудность, используя кварцевую призму. Наиболее пригодны для этой цели дифракционные решетки (прозрачные или отражающие). Однако первые дифракционные решетки имели существенный недостаток: основную часть светового пучка они концентрировали в максимуме нулевого порядка, где свет не разлагается в спектр.

Усовершенствование дифракционных решеток позволило использовать "наличный" свет несравненно более эффективно. Во-первых, "просветление" решеток посредством создания канавок определенного профиля позволяет сконцентрировать свет в дифракционном максимуме любого порядка (обычно в первом или втором). Во-вторых, в 1950-х годах удалось наконец добиться высокого качества и однородности больших решеток при значительном снижении их стоимости. Настоящим подарком для специалистов по спектроскопии оказались решетки-реплики, которые штампуются из пластмассы на матрице, представляющей собой тщательно изготовленную "нарезную" решетку.

Благодаря этим достижениям Леон Саланаве из Института физики атмосферы Аризонского университета и смог сделать данную фотографию. Его спектрограф представлял собой усовершенствованную аэрофотокамеру, оснащенную комбинацией призмы с дифракционной решеткой (дисперсия в максимуме первого порядка составляла 25 А/мм). Прозрачная решетка-реплика фирмы "Бауш и Ломб" покрывала все входное отверстие телеобъектива с апертурой 8 см. На снимке наблюдается изменение интенсивности не только в зависимости от длины волны [полученный спектр охватывает диапазон от ближнего ультрафиолета (3800 А) до красного света (6200 А)], но и вдоль разряда, где видны "узлы", или горячие точки. (Впрочем, яркие узлы могут быть обусловлены геометрией наблюдения, а не повышением температуры в данной точке.)

Линии разряда выглядят более слабыми или более сильными в зависимости от того, каким атомам соответствует излучение на данной длине волны. Наиболее яркие линии принадлежат однократно ионизованному атмосферному азоту; заметную яркость имеют также линии, соответствующие нейтральным атомам азота и ионизованным или нейтральным атомам кислорода. Если бы спектр еще немного продлился вправо, то он охватил бы и альфа-линию водорода (водород в атмосфере образуется при разложении молекул воды электрическим разрядом). Присутствие водяных паров обнаруживается в правой (красной) части спектра: им соответствует широкая темная полоса, пересеченная линиями излучения ионизованного азота. (Яркие линии соответствуют излучению, а темные - поглощению света атомами и молекулами.) Слабые линии в левом (голубом) краю спектра принадлежат радикалу циана CN и радикалу азота N+2, хотя они не были отождествлены к моменту первой публикации снимка.

Говоря об историческом значении этой фотографии, Саланаве писал: "Важность бесщелевых спектрограмм, полученных в 1960 г. и позднее, состоит в том, что (при условии временного разрешения отдельных разрядов) они впервые позволили надежно определить температуры канала молнии в участках максимальной яркости". Наиболее высокие температуры связаны не с прохождением лидера, а с основным разрядом; пиковая температура обычно составляет 24000-28000 К, что в пять раз превышает температуру на поверхности Солнца.

9 сентября 1960 г. Таксон, шт. Аризона, США Л. Саланаве, Сан-Франциско, Калифорния Камера 'К-18 Аэро-Тессар', апертура 8 см, фокусное расстояние 60 см; дифракционная решетка-реплика фирмы 'Бауш энд Ломб'. 'Истмен-Кодак ройал пан'. Э. Крайдер, Институт физики атмосферы Аризонского университета [153, 239, 240]