Когда энергичный электрон взаимодействует с атомом, то происходит не только ионизация атома, но и его возбуждение. Как говорилось выше, атом не может долго находиться в возбужденном состоянии. Орбитальный электрон из возбужденного уровня переходит па свой обычный энергетический уровень, излучая при этом квант света. Это излучение и есть полярное сияние. Таким образом, все основные мощные эмиссии (излучения) полярных сияний возникают в основном в результате ударного возбуждения заряженными энергичными частицами (электронами и протонами). Как только заряженная частица сталкивается с атомом атмосферы, он сразу переходит в возбужденное состояние и испускает квант света. Тогда мы можем с поверхности Земли наблюдать полярные сияния.
Насколько эффективно энергичные заряженные частицы воздействуют на атомы и молекулы атмосферы зависит от их скорости. Если скорости электронов, протонов и ионов равны, то и эффективность их воздействия одинаковая. Но ионы и протоны в тысячи раз тяжелее электрона. Поэтому при равных скоростях энергии протона и иона в тысячи раз больше энергии электрона.
Хорошо установлено, что быстрые электроны образуют в воздухе около трех пар ионов на каждые 100 эВ первоначальной энергии. Таким образом, электрон с энергией 1 кэВ при полном израсходовании этой энергии образует около 30 пар ионов.
Ионизация атомов и молекул начинается тогда, когда энергия электрона превышает энергию ионизации атома или молекулы. Ионы действуют так же, если их скорости равны скорости электронов. Ионизация происходит наиболее эффективно, если скорость электрона в несколько раз больше, чем та минимальная скорость, при которой начинается ионизация. Это значит, что вначале, на верхней границе атмосферы, где энергия электронного пучка еще большая (и скорость тоже), электрон производит ионизацию атомов неэффективно. И только когда его энергия уменьшается (фактически почти в конце своего пути) электрон наиболее эффективно взаимодействует с атомами, вызывая их ионизацию (рис. 55). Собственно, именно электроны этих энергий интересны для рассматриваемой здесь проблемы полярных сияний; они проникают на те высоты атмосферы, где наблюдаются сияния.
Процесс ионизации происходит так, что первичный электрон выбивает из атома орбитальный электрон (назовем его вторичным), который получает от первичного электрона достаточную энергию, чтобы самому быть способным ионизовать другие атомы. Процесс носит характер каскадного ливня. При подсчете общей ионизации (числа пар ионов) получается, что большая часть ионов (70%) создается именно вторичными электронами. Каждый вторичный электрон уносит энергию около 90 эВ. Эта энергия может быть израсходована на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Возбуждение нейтральных частиц вызывается в значительной степени вторичными электронами.
Когда электрон израсходует свою энергию и ее недостаточно, для того чтобы ионизовать атомы, он способен остатки своей энергии передать атому или молекуле путем их возбуждения. Затем эти атомы или молекулы, переходя из возбужденного состояния в основное, излучают эту энергию в виде света различной длины волны (т. е. различного цвета).
Возбужденные состояния молекул бывают трех видов. Во-первых, они могут быть связаны с конфигурацией электронов в молекуле. Это так называемое электронное возбуждение. Во-вторых, — с колебаниями атомов относительно друг друга. Это колебательное возбуждение. В-третьих, — с вращением атомов относительно друг друга. Это вращательное возбуждение. Энергия вращательного возбуждения незначительна по сравнению с энергиями электронного и колебательного возбуждений.
Рис. 55. Глубина проникновения в атмосферу электронов (I) и протонов (II) различных энергий