ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 563-569
УДК 551.510.53
ОБРАЗОВАНИЕ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА О2(Ь1 £++) НА ВЫСОТАХ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ © 2014 г. А. С. Кириллов
Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: kirillov@pgia.ru Поступила в редакцию 22.04.2013 г.
Проведен расчет относительных констант скоростей образования О2(Ъ1Е+, v = 1—4) при неупругом
взаимодействии электронно-возбужденных атомов N(2D) с молекулами кислорода О2(Х3Е-, v = 0). Показано, что увеличение равновесных расстояний между атомами кислорода в образуемой при взаимодействии квазимолекуле NO2 существенным образом сказывается на росте рассчитываемых
относительных скоростей образования 02(b1Z+,v > 1). Полученные коэффициенты используется
при расчете относительных населенностей О2(Ъ1Е+, v = 1—4) на высотах 110 км (Т = 250 К) и 150 км (Т = 500 К) полярной ионосферы. Проведено сравнение рассчитанных населенностей с результатами имеющихся в научной литературе экспериментальных измерений по интенсивностям свечения полос Атмосферной системы и получено удовлетворительное согласие для нижних высот.
DOI: 10.7868/S0016794014040191
1. ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные измерения интенсивно-стей полос свечения электронно-возбужденного
синглетного молекулярного кислорода О2(Ъ1Е+) в свечении ночного неба Земли [Шефов и др., 2006], полярной ионосфере [Vallance Jones, 1974] представляют уникальный материал для теоретических исследований особенностей механизмов образования и гашения синглетного кислорода на высотах верхней атмосферы Земли. Свечение полос Атмосферной системы синглетного кислорода О2(Ъ1Е+) происходит в результате спонтанных излучательных переходов
O2(b1S+, v) ^ O2(X3S:, V) + hv
Atm-
(1)
В спектре свечения ночного неба Земли наиболее интенсивными из данной системы являются полосы 761.9 и 864.5 нм (обусловленные переходами (1) V = 0 ^ V' = 0 и V = 0 ^ V' = 1), интенсивности которых составляют ~6300 и 300 рэлей [Шефов и др., 2006; Перминов и др., 2007]. В недавней работе [Кириллов, 2012а] был проведен расчет относительных колебательных населенностей О2(Ъ1Е+, V = 1—20) на высотах 80—110 км с учетом гашения электронного возбуждения при спонтанных излучательных процессах и неупругих столкновениях с составляющими О2, О. Сравнение рассчитанных в [Кириллов, 2012а] на-селенностей с результатами экспериментальных
оценок [Slanger et al., 2000] для колебательных уровней v = 1—15, выполненных с помощью телескопа Keck I в свечении ночного неба Земли, дало хорошее согласие. Было показано, что бимодальное поведение экспериментально измеренных ин-тенсивностей свечения полос Атмосферной системы, приведенных в работе [Slanger et al., 2000], объясняется именно особенностями гашения
синглетного кислорода 02(b1S+, v = 1—15) невозбужденными молекулами кислорода, а не различными процессами образования О2(Ь1Е+) в разных интервалах колебательных уровней v, как это изначально предлагалось Slanger et al. [2000].
Спектрометрические измерения интенсивно-стей полос Атмосферной системы на ракетном комплексе Форт-Черчилль в Канаде [Gattinger and Vallance Jones, 1974, 1976; Vallance Jones and Gattinger, 1974] и на архипелаге Шпицберген [Henriks-en et al., 1985; Henriksen and Sivjee, 1990] показали наличие в спектре полярных сияний интенсивных эмиссий, излучаемых при спонтанных переходах с колебательных уровней 1 < v < 5 молекулы
О2(Ь1Е+). Простым возбуждением молекулы О2(Х3Е-) авроральными частицами высокие скорости образования 02(b1S+, v < 5) в полярной ионосфере невозможно объяснить, поскольку факторы Франка-Кондона для переходов Х3£-, v = 0 ^ ^ Ые!, v для v = 4, 5 на 4—5 порядков меньше,
чем для v = 1. Поэтому авторы статьи [Gattinger and Vallance Jones, 1976] предложили три возможных механизма образования О2(ЫЕ+, v < 5) в авро-ральной ионосфере: взаимодействие "горячих"
атомов O(1D) с молекулой О2(Х32-, v = 0); перенос электронного возбуждения с метастабильного атомарного азота N(2D) на молекулу О2(Х32-, v = 0) и реакцию перезарядки при столкновениях O + + NO.
В дальнейшем автор работы [Slanger, 1986] рассмотрел все три предложенных механизма и пришел к выводу, что именно реакция перезарядки
должна быть главным источником О2(Ъ1Е+, v < 5) в полярной ионосфере. Однако в работе [Kirillov, 2008] был проведен расчет скоростей образования
О2(Ъ1Е+, v) при неупругих взаимодействиях O + + + NO. Автор руководствовался методикой расчета констант скоростей взаимодействия, предложенной в статьях [Kirillov, 2004a, 2004b], где кван-тово-химические приближения Ландау—Зинера и Розена—Зинера обобщались на случай молекулярных столкновений. При расчетах было показано, что при взаимодействии иона O+, находящегося главным образом в состоянии X2ng, v = 0, с молекулой NO в основном должно происходить образование О2(Ъ1Е+, v = 2), а скорости образования колебательных уровней v = 3 и 4 на два порядка меньше. Даже учитывая на порядок меньшие скорости гашения этих двух уровней невозбужденной молекулой О2 по сравнению с v = 2 [Кириллов, 2012а], согласия с экспериментальными данными [Gattinger and Vllance Jones, 1974, 1976; Vl-lance Jones and Gattinger, 1974; Henriksen et al., 1985; Henriksen and Sivjee, 1990] не удается достигнуть.
Поэтому в данной работе основное внимание уделено расчету коэффициентов скоростей образования 02(b:S+, v > 1) при взаимодействии мета-стабильного атомарного азота N(2D) с молекулой О2 и скоростей гашения электронно-возбужденных молекул 02(b:S+, v) при столкновениях с О2 и N2. Рассчитанные константы скоростей образования и гашения использованы при моделировании населенностей колебательных уровней v = 1—4 молекулы О2(Ь:£+) на высотах полярной ионосферы.
2. КОЭФФИЦИЕНТЫ СКОРОСТЕЙ ГАШЕНИЯ О2(Ъ1Е+, V > 0) МОЛЕКУЛАМИ КИСЛОРОДА И АЗОТА
Расчет коэффициентов скоростей гашения электронно-возбужденного состояния Ъ1^, V > 0 кислорода при столкновениях с невозбужденными и колебательно-возбужденными до четвертого уровня
молекулами О2(Х3Е-, V = 0-4) и ЩХ1^, V = 0-4) проводился в публикациях [Кириллов, 2012б; ЮгШоу, 2013]. При этом использовались аналитические выражения и формулы из работы [ЮгШоу, 2004а, Ъ], основанные на приближении Розена-Зинера и рассматривались следующие межмолекулярные процессы переноса электронного возбуждения (ЕЕ-процессы)
O2(b1 Z+, v) + O2(X3Z-, v*= 0-4) -—- O2(X3Z-, v'') + O2(b1 Z+, v'),
O2(b1Z+,v) + O2(X3Z-, v*= 0-4) -X3 Z-, v'') + O2( a1 Д., v')
(2a)
(2б)
и внутримолекулярные процессы переноса электронного возбуждения на а1 Д^ состояние с колебательным возбуждением молекулы-мишени (ЕУ-процессы)
O2(b1Z+, v) + O2(X3Z-, v*= 0-4)
— O2 (a4g,v") + O2 (X3 Zg, v'= v *+1),
O2(b1 Z+, v) + N2(X1Z+, v*= 0-4) —
— O2( a1 Д., v'') + N2( X1 Z+, v'= v *+1).
(2в)
(3)
При расчете констант для процессов (2а, 2б) в работе [Кириллов, 2012б] использовалось аналитическое выражение
к = к0
T
-exp
N
AE
qv,v-qv
(4)
1300 Ч WTl300 2kBTj где параметр у равен 97.4 см-1; qv v и qv* v. - факторы
Франка-Кондона для переходов ЫЕ+ , v ^ Х3Е- , v'' и Х3£- , v* ^ Ъ1^! (a1A„), v'; Т - температура; kB - по-
стоянная Больцмана; ДЕ — разность сумм энергий конечных и начальных состояний. Параметр к0 полагается равным 1.66 х 10-10 см3 с-1 для процесса (2а) и в два раза больше для процесса (2б) из-за большего статистического веса состояния а1Д^. При расчете констант для процессов (2в) и (3) в работе [КЫНоу, 2013] использовалось аналогичное (4) аналитическое выражение, только вместо произведения д .. ду*у был учтен только фактор
Франка—Кондона д^» для перехода Ъ1^, V о- а1Д^, V'' и параметр к0 полагался равным (V * + 1) х 6.0 х х 10-11 см3 с-1 для процесса (2в) и (V * + 1) х 1.6 х х 10-11 см3 с-1 для процесса (3). Сравнение констант процессов (2а, б) и (2в) в работе [КЫНоу, 2013] показало, что для колебательных уровней
V = 1-5 состояния ЫЕ+ последним процессом можно пренебречь. Только с дальнейшим ростом
v вклад процесса (2в) в гашение состояния ЫЕ+ значительно возрастает.
Авторы [Gattinger and Vallance Jones, 1976] и [Henriksen and Sivjee, 1990] представили свои результаты измерений интенсивностей полос Атмосферной системы кислорода как для "нормальных" сияний (с максимумом потерь энергии авро-ральными частицами на высотах 100—110 км), так и "высоких" сияний (высоты 140—150 км). В дальнейших расчетах воспользуемся профилями концентраций основных атмосферных составляющих N2, O2, O(3P) и температурным профилем для высот полярной ионосферы согласно работе [Morrill and Benesch, 1996]. Поэтому проведем расчеты констант гашения синглетного кислорода О2(ЫЕ+, v) молекулами О2 и N2 для температур ~250 и ~500 К.
На рисунке 1 рассчитанные константы гашения
молекулы синглетного кислорода О2(Ь1Е+, v = 0—5) для температур 250 и 500 К сравниваются с экспериментально измеренными значениями при комнатной температуре, взятыми из работ [Bloemink et al., 1998; Kalogerakis et al., 2002] (v = 1—3) для случая столкновений с О2 и из работ [Dunlea et al., 2005; Sander et al., 2011] (v = 0) для случая столкновений с N2. В случае столкновений О2(Ь1Е+, v = 0) + + О2 получаются значения констант меньше 10-15 см3 с-1, поэтому они не представлены на рис. 1. Кроме того на рис. 1 показаны константы гашения атомарным кислородом О2(Ы2+, v = 0-5) + О, которые полагаются одинаковыми для всех рассматриваемых уровней и равными 8 х 10-14 см3 с-1 [Шефов и др., 2006].
3. РАСЧЕТ СКОРОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ О2(Ъ1Е+, V) ПРИ НЕУПРУГИХ СТОЛКНОВЕНИЯХ И О2(Х32-)
Что касается механизмов образования О2(Ъ1Е+) в полярной ионосфере, то рассмотрим здесь только процесс переноса энергии электронного возбуждения при столкновениях
k, см3 с 1
N (2D) + O2(X3 Е-, v = 0 )-N (4S) + O2( b1 Е+, v = 0-5),
(5)
где атомы М(^) в основном образуются либо при диссоциации (диссоциативной ионизации) молекул азота в результате столкновений с высокоэнергичными авроральными первичными и вторичными частицами (электроны и протоны), либо в результате процессов диссоциативной рекомбинации ионов N0+. Процесс переноса энергии электронного возбуждения с метастабильного атомарного
кислорода О(^) на О2(Х3Е
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.