Небесный огонь

[antihydrogen]

Откуда взялась зеленая полоса над краем Земли на этих фотографиях:

[Poll #2019569][Poll #2019569]

Называется это явление собственное свече́ние атмосфе́ры. Но ниже я буду называть его простым и емким словом airglow. И это хемилюминесценция, то есть свечение, возникающее при химических реакциях.

В термосфере, слое атмосферы на высоте более 85 км, днем молекулы кислорода разлагаются на атомы ультрафиолетовым излучением Солнца. При обратном объединении атомов в молекулу выделяется энергия. Но чтобы объединение состоялось, нужно трехчастичное столкновение – в одной точке должны одновременно встретиться два атома кислорода и еще что-то. Это «что-то» нужно, чтобы забрать выделившуюся при образовании молекулы кислорода энергию. Это приводит к двум последствиям. Во-первых, поскольку воздух в термосфере очень разрежен и трехчастичные столкновения случаются редко, реакция идет очень медленно, и атомарного кислорода хватает на всю ночь. Во-вторых, «что-то» потом может испустить полученную энергию в форме квантов света.

Конкретно зеленый цвет дает такая последовательность процессов:
  O + O + O -> O₂ + O(¹S)
  O(¹S) -> O + hν
То есть два атома кислорода соединяются в молекулу, а выделившаяся энергия тратится на возбуждение третьего атома кислорода, который и испускает зеленый свет при переходе в основное состояние.

Желтоватый оттенок вносят возбуждённые атомы натрия, образующиеся в серии реакций:
  Na + O + любая молекула -> NaO* + любая молекула
  NaO* + O -> O₂ + Na(²P)
  Na(²P) -> Na + hν
То есть натрий работает как катализатор превращения атомарного кислорода в молекулярный, забирая за посредничество получившуюся при этом энергию. В термосферу натрий попадает из метеоритной пыли.

Внимательный зритель может заметить на второй фотографии еще и красную полосу, находящуюся над зеленой. Это излучает возбужденный гидроксил-радикал OH, образующийся при реакции озона с атомарным водородом.

Не надо путать airglow с северным сиянием. В северном сиянии конечными излучателями работают возбужденные атомы тех же элементов, чаще всего кислорода (оттого и цвета похожи), но источником энергии служат не химические реакции, а быстрые частицы, выпадающие из радиационных поясов Земли.

Северное сияние и airglow на одной фотографии. Airglow слабее и однородно по яркости

Так же не надо путать nighttime airglow (про которое речь выше) с daytime airglow – это когда атомы возбуждаются напрямую солнечным светом. В некоторых научно-популярных текстах объясняют nighttime airglow фосфоресценцией – типа, атомы переходят в возбужденное состояние днем, а потом ночью испускают. Но это неправильное объяснение – атомы возвращаются в основное состояние самое долгое за несколько сот секунд, так что фосфоресценция не может внести никакого вклада в ночное свечение.

Замечу еще, что в обеих википедиях написано несколько расплывчатое утверждение, из которого можно счесть, что основной источник свечения – реакция атомарного кислорода с атомарным азотом с образованием возбужденного оксида азота NO. Такой процесс действительно есть, но оксид азота излучает в инфракрасной области, и невооруженным глазом такое свечение увидеть невозможно. Желающие поправить википедию могут нагуглить АИ по ключевым словам Barth two-step mechanism.