વાયુદીપ્તિ (airglow)

વાયુદીપ્તિ (airglow) : પૃથ્વીના પોતાના વાતાવરણ દ્વારા ઉત્પન્ન થઈ ઉત્સર્જિત થતો, ઉષ્મીય વિકિરણ, ધ્રુવીય જ્યોતિ (aurora), વીજળીના ઝબકારા (lightning), અને ઉલ્કા-હારમાળા સિવાયનો પ્રકાશ અથવા તેનું ઝાંખું પ્રસ્ફુરણ. વાયુદીપ્તિનો વર્ણપટ 100 ને.મી.થી 22.5 માઇક્રોમીટરની પરાસ(range)માં હોય છે. આમાંનો એક મુખ્ય ઘટક એ 558 ને.મીટરે જોવા મળતી ઑક્સિજનની ઉત્સર્જન-રેખા છે. વાયુદીપ્તિ એ સામાન્ય રીતે 100 કિમી.ની ઊંચાઈએ 30થી 40 કિમી.ના સ્તરમાં પૃથ્વીની સપાટીથી (80થી 120 કિમી. જેટલી ઊંચાઈએ) ઉદભવે છે. અવકાશમાંથી જોતાં તે પૃથ્વીની આજુબાજુ લીલાશ પડતા પ્રકાશના વલય (ring) રૂપે દેખાય છે. તે સમગ્ર આકાશમાં સઘળા અક્ષાંશો(latitudes)એ સઘળા સમયે ઉત્સર્જિત થાય છે.

ક્વૉન્ટમવાદ અનુસાર ઊર્જાનું શોષણ કરીને અણુઓ તેમજ પરમાણુઓ ઊંચી ઊર્જાવાળા નિશ્ચિત સ્તરોમાં જાય છે. જ્યારે તેઓ આવા વધુ ઊર્જાવાળા સ્તરોમાંથી નીચી ઊર્જાવાળા સ્તરોમાં આવે ત્યારે વધારાની ઊર્જાનું પ્રકાશના ક્વૉન્ટમ રૂપે ઉત્સર્જન કરે છે. આ ઊર્જાકણની ઊર્જા અનુસારની તરંગલંબાઈનો પ્રકાશ ઉત્સર્જિત થાય છે, કારણ કે તે ઊર્જાનો તફાવત  સમીકરણને અનુસરે છે. (h = પ્લાંકનો અચળાંક, c =  પ્રકાશનો વેગ, υ = આવૃત્તિ, અને  λ = પ્રકાશની તરંગલંબાઈ)

સૂર્યનાં વિકિરણોની ઊર્જા વાતાવરણના ઘટકો(અણુ/પરમાણુ)ને ઉત્તેજિત અવસ્થામાં લઈ જઈ શકે છે. વિકિરણીય (radiative) ઉત્તેજનમાં સૂર્યનાં વિકિરણોમાંના ઊર્જાકણો અથવા ફોટૉન (photons) ભૂમિઅવસ્થામાં રહેલા અણુ કે પરમાણુઓ દ્વારા શોષાતાં તેઓ ઉત્તેજિત સ્તરોમાં જાય છે. ઉત્તેજિત અવસ્થામાં આવેલા આવા અણુઓ કે પરમાણુઓ વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરી નીચેના સ્તરોમાં આવે છે. આ રીતે ઉત્સર્જિત થતા પ્રકાશને પ્રસ્ફુરિત વિકિરણ (fluorescent radiation) કહે છે. જો ઉત્તેજિત અણુઓ કે પરમાણુઓ પોતે શોષેલી ઊર્જા જેટલી જ ઊર્જા ધરાવતા ફોટૉનનું ઉત્સર્જન કરીને ભૂમિસ્તરમાં પાછા આવે તો તેવા ખાસ કિસ્સાને અનુનાદિત વિખેરણ (resonance scattering) કહે છે. જોકે વધુ સામાન્ય કિસ્સામાં ઉત્સર્જિત પ્રકાશના ફોટૉનની ઊર્જા શોષાયેલાં ઊર્જાકણોની ઊર્જા કરતાં ઓછી હોય છે. આને પ્રસ્ફુરણ (fluorescence) કહે છે. આવી પ્રક્રિયાઓમાં વાતાવરણ પર સૂર્યનો પ્રકાશ પડતો હોય તો જ ઉત્સર્જન થતું જણાય છે. આ રીતે ફક્ત દિવસના ભાગમાં ઉદભવતી વાયુદીપ્તિ દિવસીય વાયુદીપ્તિ (day airglow) કહેવાય છે. તેમાં વાતાવરણના ઘટકો પૈકી કેટલાક અણુઓ કે પરમાણુઓ જ દૃશ્ય પ્રકાશમાં આવું ઉત્સર્જન દર્શાવે છે. દિવસના ભાગમાં આકાશ ઘણું તેજસ્વી હોવાથી દિવસ દરમિયાન ઉત્સર્જિત થતી વાયુદીપ્તિ નોંધવી એ કપરું કામ છે, અને તે જટિલ ઉપકરણો માગી લે છે.

સંધ્યાસમયે જ્યારે વાતાવરણનો નીચલો હિસ્સો અંધકારમય લાગતો હોય પરંતુ તેના ઉપલા સ્તરો હજી સૂર્યપ્રકાશિત હોય ત્યારે આ વિસ્તારમાંથી ઉત્સર્જિત થતો આવો પ્રકાશ સરળતાથી નોંધી શકાય છે; કારણ કે આ સમયે આકાશ ઓછું તેજસ્વી હોય છે. આને સાંધ્ય વાયુદીપ્તિ (twilight airglow) કહે છે. પૃથ્વીના વાતાવરણમાં આશરે 60 કિમી જેટલી ઊંચાઈએ અલ્પ પ્રમાણમાં સોડિયમ પરમાણુઓનું એક સ્તર આવેલું હોય છે. તેમના દ્વારા થતા અનુનાદિત વિખેરણ(resonance scattering)ને કારણે સંધ્યા સમયની આ વાયુદીપ્તિમાં 5890 Å અને 5896 Å ની રેખાઓનો પ્રકાશ પ્રબળ પ્રમાણમાં નોંધી શકાય છે. આ ઘટનાનો ઉપયોગ વાતાવરણના ઉપલા સ્તરોમાં પ્રવર્તતા પવનો તથા તે વિસ્તારનું તાપમાન જાણવા માટે અગત્યના એવા અવકાશી પ્રયોગમાં થાય છે. સૂર્યાસ્ત પછી આશરે 20 મિનિટ બાદ રૉકેટ દ્વારા મોકલાવેલ ઉપકરણો દ્વારા વાતાવરણના ઉપલા સ્તરો પર સોડિયમ પરમાણુઓનું ઉત્સર્જન કરવામાં આવે છે, જે પૃથ્વી પરથી આસાનીથી જોઈ શકાય છે. આ રીતે ઉત્સર્જિત થયેલ સોડિયમના વાયુ-વાદળના સ્થાનની નોંધ દ્વારા વાતાવરણમાં પ્રવર્તતા પવનો અંગે તેમજ તેના પ્રકાશના વર્ણપટીય અભ્યાસ દ્વારા સ્તરના તાપમાન અંગે માહિતી મળી શકે છે. ભારતમાં અવકાશવિજ્ઞાનને લગતા અભ્યાસની શરૂઆત 1964માં થઈ હતી, જેમાં થુંબા ખાતેથી રૉકેટ-પ્રક્ષેપણ દ્વારા ઉપલા વાતાવરણમાં સોડિયમના વાયુવાદળનું ઉત્સર્જન કરાયું હતું. આ રીતે ઉત્સર્જિત થતા પ્રકાશને કૃત્રિમ વાયુદીપ્તિ (artificial airglow) કહે છે.

સૂર્યનાં વિકિરણોની ઊર્જાના શોષણ દ્વારા અણુઓ કે પરમાણુઓના બારોબાર થતા ઉત્તેજન ઉપરાંત આ પ્રકારની ઉત્તેજના પરોક્ષ રીતે પણ સૂર્યનાં વિકિરણોના પ્રભાવથી થાય છે. દિવસ દરમિયાન 100 કિમી. અને તેથી પણ ઊંચા સ્તરોમાં સૂર્યના વિકિરણમાંના પારજાંબલી (ultraviolet) વિકિરણને કારણે અણુઓ/પરમાણુઓનું અંશત: આયનીકરણ (ionisation) થાય છે અને તેને લીધે વાતાવરણના ઉપરના સ્તરોમાં આયનમંડળ (ionosphere) રચાય છે. આ રીતે સર્જાતા ઘટકોમાં એક મહત્ત્વનો ઘટક વીજભારિત ઑક્સિજન વીજાણુ O2+ છે. રાત્રિના સમયે આ વીજાણુ ઇલેક્ટ્રૉનના સંસર્ગમાં આવીને વીજભારરહિત બે ઑક્સિજન પરમાણુઓને સ્વરૂપે વિઘટન પામે છે :

આવી પ્રક્રિયા વિયોજનકારી (dissociative) પુનર્યોજન (recombination) કહેવાય છે. આ ઘટના દરમિયાન પ્રક્રિયાની ઊર્જા બંને ઑક્સિજન પરમાણુઓને તેમના ભૂમિસ્તરમાંથી ઉપરના ઊર્જાસ્તરોમાં લઈ જાય છે. પાછા ભૂમિસ્તર પર આવતાં પ્રકાશ સ્વરૂપે વિકિરણ ઉત્સર્જિત કરે છે. રાત્રિવાયુદીપ્તિ (night airglow) અથવા રાત્રિદિપ્તિ(night glow)માં 5577 Å અને 6300 Å તરંગલંબાઈએ જે નોંધપાત્ર ઉત્સર્જન જણાય છે તે આ પ્રક્રિયા દ્વારા ઉદભવે છે. તે અનુક્રમે ઑક્સિજન લીલી રેખા (oxygen green line) અને ઑક્સિજન લાલ રેખા તરીકે ઓળખાય છે. આ બંને રેખાઓ વર્ણપટ વિજ્ઞાનમાં વર્જિત રેખાઓ (forbidden lines) તરીકે ઓળખાતા પ્રકારની છે. પરંતુ વાતાવરણના 200 કિમી. જેટલી ઊંચાઈના સ્તરે અણુઓ/પરમાણુઓની સંખ્યા ઘણી ઓછી હોવાને કારણે તેમનો પરસ્પર સંસર્ગ નગણ્ય હોવાથી આ પ્રકારનું ઉત્સર્જન શક્ય બને છે.

રાત્રિ-વાયુદીપ્તિનો અભ્યાસ એ વાયુવિજ્ઞાન(aeronomy)નું અગત્યનું પાસું છે. તેના અભ્યાસ દ્વારા વાતાવરણના ઉપલા સ્તરોમાં થતી પ્રક્રિયાઓ, વાતાવરણનું તાપમાન, ઇત્યાદિ ભૌતિક પરિમાણો તારવી શકાય છે.

વાતાવરણમાંની અન્ય પ્રક્રિયાઓ દ્વારા દૃશ્ય પ્રકારો ઉપરાંત અવરક્ત (infra-red) વિસ્તારમાં પણ ઉત્સર્જન થતું હોય છે. 80 કિમી. જેટલી ઊંચાઈના સ્તરે O + H₂O → 2OH જેવી પ્રક્રિયા ઉત્તેજિત OH મૂલક સર્જે છે જે, અવરક્ત વિસ્તારમાં ઉત્સર્જન દર્શાવે છે. આ ઉત્સર્જન એવું પ્રબળ છે કે જો તે દૃશ્ય વિસ્તારમાં થતું હોત તો રાત્રે આકાશ સારું એવું તેજસ્વી જણાત ! આ ઉત્સર્જનનો વર્ણપટ આણ્વિક (molecular) પટ્ટ વર્ણપટ (band spectra) પ્રકારનો હોય છે.

આ ઉપરાંત, સૌર પવનોના વીજાણુઓની સાથે સંઘાત અનુભવીને ધ્રુવીય વિસ્તારો પર ધ્રુવીય જ્યોતિ(aurora)ની જે ઘટના જોવા મળે છે તેને પણ કેટલાક વાયુદીપ્તિ ગણાવે છે. વાતાવરણમાંના અણુઓ દ્વારા પ્રકાશના વિખેરણને કારણે દિવસે આકાશ ભૂરા રંગથી પ્રકાશિત દેખાય છે પણ તે વાયુદીપ્તિ નથી.

મોટાભાગના અન્ય ગ્રહો અને ટિટાન (Titan) (શનિનો ઉપગ્રહ) ઉપરની આવી ઘટનાઓનો પણ અભ્યાસ થયેલો છે. તેમાં એમ માલૂમ પડ્યું છે કે મંગળ (Mars) અને શુક્ર(Venus)માંના ઑક્સિજન-ઉત્સર્જનો પૃથ્વી પરનાં આવાં ઉત્સર્જનો કરતાં નોંધપાત્ર રીતે અલગ છે. આ ગ્રહોમાંના CO₂, CO, H અને Oનાં આવાં ઉત્સર્જનો વધુ પ્રબળ છે. ટિટાનમાંથી મળતા પ્રબળ N₂ અને N વર્ણપટો વધુ પ્રબળ હોઈ એમ સૂચવે છે કે વાતાવરણમાં નાઇટ્રોજન એ મુખ્ય વાયુ છે. ગુરુ (Jupiter) અને શનિ(Saturn)માંથી આવતા H અને H₂ વર્ણપટોની તીવ્રતા સમજાવી શકાઈ નથી.

જ્યોતીન્દ્ર ન. દેસાઈ