ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 557-569
УДК 551.521.32:535338.43:550388.2
ВОССТАНОВЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В МЕЗОСФЕРЕ НА ОСНОВЕ НОВОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ КИНЕТИКИ ПРОДУКТОВ ФОТОЛИЗА O3 И O2
© 2007 г. В. А. Янковский, В. А. Кулешова, Р. О. Мануйлова, А. О. Семенов
Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул., 1 E-mail: Valentine.Yankovsky@paloma.spbu.ru Поступила в редакцию 06.12.2006.
В работе представлена новая модель электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода в средней атмосфере Земли. В модели учитывается 45 возбужденных состояний молекул кислорода O2(b Х+ , v = 0-2), O2(a1Ag, v = 0-5), и O2(X3 Xg, v = 1-35), и метастабильного атома O(D), и более 100 аэрономических реакций. Учтена зависимость квантовых выходов образования молекул O2(a1Ag, v = 0-5) в синглетном канале фотолиза озона в полосе Хартли от длины волны фотолитического излучения. Учет электронно-колебательной кинетики важен для восстановления вертикальных профилей концентрации озона из измеренных интенсивно-стей эмиссий Атм и ИК Атм полос кислорода выше 65 км и приводит к увеличению концентрации озона, восстановленной из эмиссии 1.27 мкм, по сравнению с предыдущей моделью чисто электронной кинетики. Проведен анализ чувствительности новой модели к вариациям концентраций атмосферных компонент ([O2], [N2], [O(3P)], [O3], [CO2]), температуры газа, констант скоростей реакций и квантовых выходов продуктов реакций. Выявлена группа реакций, оказывающих наибольшее влияние на погрешность восстановления озона из измерений интенсивностей атмосферных эмиссий
молекулярного кислорода O2(b1 Х+ , v) и O2(a1Ag, v).
1. ВВЕДЕНИЕ
Создание модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотолиза озона и кислорода
[1, 2] в лаборатории средних и верхних атмосфер планет СПбГУ имеет предысторию. В конце 60-х годов на кафедре физики атмосферы ЛГУ была создана экспериментальная группа под руководством Л.Э. Хворостовской по исследованию аэрономических реакций в лабораторных условиях. Экспериментальная установка создавалась на базе тлеющего разряда в кислороде. Слабо ионизованная плазма такого разряда по своим характеристикам близка к условиям нижней термосферы Земли. Содержание озона, метастабильных молекул 02(а1Ая) и 02(Ь 2+) и атомов кислорода в состояниях 0(3Р), О0Д) и 0(15) достигали 0.001-10% от содержания молекул 02, что позволяло измерять константы скоростей отдельных аэрономических реакций с участием этих компонент в зависимости от температуры газа, средних энергий электронов и ионов. С целью анализа фотохимических механизмов образования возбужденных атомов 0(1^) и 0(15) в атмосферах Земли и Венеры были проведены серии экспериментов. В [3] была
исследована кинетика озона в тлеющем разряде в кислороде. Было показано, что озон образуется в типичной для атмосферы тройной реакции при столкновении 02 и 0(3Р), а в разрушении 03 доминировали столкновения с атомами 0(3Р). Концентрация озона измерялась методом поглощения излучения стандартного источника УФ в полосе Хартли. В [4, 5] исследовалась температурная зависимость константы скорости процесса переноса энергии от атомов 0(1^) к возбужденным молекулам 02(Ь12+) при столкновениях с молекулами 02 в широком интервале температур (345-605 К). Последующие эксперименты [6] показали, что в данной реакции доминирует передача возбуждения на электронно-колебательные уровни молекулы кислорода:
O(D) + O2(v = 0) — (b1 2+, v < 2) + O(3P).
(1)
В [6] был исследован механизм электронно-колебательной релаксации O2(b1 2+, v)
чисто
кислородной атмосфере в интервале температур
340-445 K и измерены константы скоростей реак-
ций: O2(b1 I+, v = 2) + O2(X I, v = 0)
х 10-12 см3 с-1), O2(b11+, v = 2) + O(3.P)
x 10-11 см3 с-1) и O2(b11+, v = 2) + O
(k = 3.15 x ► (k = 1.1 x - (k = 2.9 x
x 10 10 см3 с 1), а также сделаны оценки констант скоростей аналогичных реакций с участием
O2(b11+, v = 1) и впервые была предложена фотохимическая модель, позволившая рассчитать вертикальные профили O2(b11+, v = 1, 2) в интервале высот 85-120 км земной атмосферы в дневное время. Отметим, что константы скоростей этих реакций были измерены впервые. Спустя 10 лет ряд этих результатов был подтвержден при использовании другого метода - метода лазерной накачки уровней [7, 8]. Данные нашей лаборатории [4-6] и научных групп из Space Research Institute International (Калифорния, США) [7] и Jet Propulsion Laboratory [9] позволили нам в 2003 г. создать модель электронно-колебательной кинетики продуктов фотолиза озона и молекулярного кислорода в средней атмосфере YM-2003 [1].
В [1] на примере обработки данных ракетного эксперимента METEORS [10], в котором одновременно регистрировались вертикальные профили эмиссии Атм (762 нм) и ИК Атм (1.27 мкм) полос
молекул O2(b11+, v = 0) и O2(a1Ag, v = 0) соответственно, было показано, что, только используя модель электронно-колебательной кинетики фотолиза озона и молекулярного кислорода, можно получить согласованные между собой вертикальные профили озона, восстановленные из этих двух одновременно измеренных эмиссий. Различие между восстановленными профилями озона в интервале высот 65-95 км в рамках модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотолиза озона и молекулярного кислорода (YM-2003 из [1]) не превышает 6%, а в рамках модели чисто электронной кинетики [11] (далее будем обозначать эту модель как MSZ) достигает 30%. Тем не менее интерпретация экспериментов по восстановлению вертикальных профилей озона по
эмиссиям из состояний O2(b11+, v = 0) и O2(a1Ag, v = 0) до сих пор проводится в рамках чисто электронной кинетики.
В первой версии модели YM-2003 [1], в соответствии с уровнем знаний на тот момент, квантовый выход электронно-колебательно возбужденных молекул O2(a1Ag, v = 0-5) при фотолизе озона в полосе Хартли рассчитывался интегрально по всей полосе. После публикации [1] появились систематические данные по спектральной зависимости квантовых выходов электронно-колеба-
тельно возбужденных молекул O2(a1Ag, v = 0-5) [7]. Для корректного учета этих данных мы включили в новую версию модели YM-2003 модель спектрального распределения солнечного излучения SOLAR 2000 и разработали аналитические аппроксимации квантовых выходов электронно-колебательно возбужденных молекул O2(a1Ag, v = 0-5) в зависимости от длины волны и колебательного числа для всей полосы Хартли. Кроме этого за последние годы в лабораторном эксперименте впервые были измерены константы скоростей ряда реакций, играющих важную роль в модели YM-2003:
O2(b11+, v = 1) + O —-, O2(a1Ag, v = 1, 2) + O2 —- и
O2(X31-, v = 2, 3) + O2 — [7, 8]. Все эти обстоятельства привели нас к созданию новой, переработанной версии модели YM-2003, которую в дальнейшем будем продолжать называть YM-2003 по дате первой публикации.
В данной работе мы приводим краткое описание новых модулей модели YM-2003 и впервые демонстрируем ее возможности по восстановлению вертикальных профилей озона из измерений высотных профилей интенсивности ИК Атм полосы O2, полученных на касательных трассах в спутниковом эксперименте TIMED-SABER.
2. МОДЕЛЬ УЫ-2003 ЭЛЕКТРОННО-
КОЛЕВАТЕЛВНОЙ КИНЕТИКИ ПРОДУКТОВ ФОТОЛИЗА ОЗОНА И КИСЛОРОДА
На рис. 1 представлена подробная блок-схема фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода в модели УЫ-2003 с учетом заселения и тушения всех рассматриваемых в модели электронно-колебательно возбужденных уровней молекул кислорода и атома 00Б). На схеме показаны процессы фотодиссоциации 02 в континууме Шумана-Рунге (/жс) и в линии Лайман-а водорода (/у-а), фотодиссоциации 03 в полосах Хартли (.1Н), Хаггин-са /ш), Шаппюи (/сь), резонансного фотозаселения уровней 02(Ъ Х+, V = 0, 1, 2) и 02(а1Ая, V = 0) со скоростями §А, соответственно, а также
процессы переноса энергии между уровнями за счет неупругих столкновительных процессов с молекулами 1Ч2, 02, 0, С02 и процессы радиационного тушения.
В новой версии модели УЫ-2003 впервые учтены: фотодиссоциация 03 в полосе Вульфа (/№иц), кинетика заселения верхних колебательно-возбужденных уровней молекул 02(Х, V < 35) и двухквантовый квазирезонансный перенос энергии в реакции 02(Х Х-, V) + N —► 02(Х3 Х-, V - 2) +
3
Рис. 1. Схема заселения и тушения электронно-колебательно-возбужденных уровней молекулярного кислорода и атомов О(О) в средней атмосфере Земли в рамках модели УМ-2003.
+ N2(X, v = 1). В данной работе мы не будем обсуждать базу констант скоростей более 100 реакций, использованных в модели YM-2003, так как она подробно описана в [2]. В настоящей работе использованы обзоры [7, 9, 12] и данные, полученные в нашей лаборатории, систематизированные в [2, 5, 6]. Наиболее существенной модернизации мы подвергли модуль расчета скорости фотодиссоциации O2 и O3.
2.1. Модуль расчета скоростей фотодиссоциации O2 и O3
Скорость g образования возбужденных продуктов фотолиза молекул O2 и O3, обозначенных символом M, на высоте z определяется по формуле:
850
g(z) = [M(z)] J e-4(z)dk, (2)
130
где [M] - концентрация молекул O2 или O3, pk -квантовый выход возбужденных продуктов на длине волны k, Fk(^) - плотность потока солнечного излучения на верхней границе атмосферы, ck - сечение поглощения излучения для молекул 02 или 03, Tk - оптическая толщина атмосферы в направлении на Солнце. Рассматриваемый диапа-
зон длин волн (130-850 нм) был разбит на 159 достаточно узких спектральных интервалов АХ, чтобы интеграл в (2) можно было с хорошей точностью заменить суммой по всем интервалам, вынося из-под знака интегрирования средние значения Рах , бАХ и тАХ в каждом интервале АХ. При разбиении на интервалы АХ учитывалось также то, что квантовые выходы отдельных продуктов фотолиза озона зависят от пороговых значений длин волн (см. ниже табл. 1):
g ( Z ) = [ M(z) ]XPAk/Ak(z),
Ak,
где
JAk(z) = FAkM°Ake
-TAk(z)
(3)
(4)
- скорость фотодиссоциации молекул O2 или O3 интервале Ak,
FAkH = J Fk(~) dk
Ak
(5)
- интегральный поток солнечного излуч
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.