Электронная кинетика молекул О2, N2, СО

в верхних атмосферах планет Солнечной системы

Кириллов А.С.

Полярный геофизический институт

г. Апатиты Мурманской области

Рассчитанные населенности колебательных уровней состояния b1g

+ в нижней термосфере и мезосфере при Т = 300 и 200 К (сплошная линия и штрихи) сравниваются с эксперимен-тальными оценками [Slanger et al., 2000, JGR] (квадраты)

0 5 10 15 20Колебательны е уровни

Нас

елен

ност

ь

10 -1

10 -2

10 0

0 5 10 15 20Колебательные уровни

k, см3с-1

O2(b1g+,v) + O2

10-12

10-11

10-13

Полосы Герцберга I (A3u+,vX3g

,v’) и Чемберлена (A’3u,va1g,v’) в свечении

ночного неба Земли (Broadfoot & Bellaire, JGR, 1999, v.104, p.17127)

Полосы Герцберга II (c1u,v=0X3g

,v’=5-12) в свечении ночного неба Венеры (Краснопольский и др., Космические Иссл., 1976, т.14, с.789)

Lawrence G.M., Barth C.A., Argabright V. Excitation of the Venus night airglow. // Science, 1977, v.195, p.573574.

Slanger T.G. Generation of O2(c1u, C3u, A3u

+) from oxygen atom recombination. // J. Chem. Phys., 1978, v.69, p.47794791.

Slanger T.G., Black G. The O2(C3ua1g) bands in the nightglow spectrum of Venus. // Geophys. Res. Lett., 1978, v.5, p.947948.

О + О + М О2* + M

О2* = O2(c1u

, A'3u, A3u+)

0 2 4 6 8 10 12 14 16Колебательные уровни

Кван

товы

е в

ыхо

ды

10-3

10-5

10-7

10-1

A3u+

c1u-

A'3 u

Рассчитанные населенности колебательных уровней состояний A3u

+ и A‘3u в нижней термосфере и мезосфере при kО=11011, 31011, 101011 см3с1 (сплошная линия, штрихи и штрих-

пунктиры) сравниваются с экспериментальными оценками Stegman and Murtagh, 1988, PSS] (кружки) и [Slanger et al., 2004,

AG] (крестики)

0 2 4 6 8 10Колебательны е уровни

0.0

0.5

1.0

1.5

Нас

еле

нно

сть

A 3u

0 2 4 6 8 10 12Колебательны е уровни

0.0

0.5

1.0

1.5

Нас

еле

нно

сть

A '3u

Kirillov A.S., The calculations of quenching rate coefficients of O2(b1g

+,v) in collisions with O2, N2, CO, CO2 molecules, 2013, Chemical Physics, v.410, p.103

Приближение Розена-Зинера

O2(A3u+,v)+CO2(0,0,0) O2(X3g

, A'3u;v')+CO2(v1,v2,v3)

1 = 0.17

2 = (0.17)2 ~ 0.029

3 = (0.17)3 ~ 0.0049

= 0.06 (N2)

',2300/

||exp

300)( vv

Bo q

Tk

E

T

ETkvk

Константы гашения O2(A3u

+,v=0-10)+CO2

Результаты расчета - сплошная линия

E-процесс - штрих-пунктиры

EV-процесс - штрихиKnutsen et al., 1994, J.

Chem. Phys., 101, p.7415 - крестики

0 2 4 6 8 10V ibrational leve ls

A 3u

C O 2

k, cm 3s -1

10 -10

10 -12

10 -14

10 -16

E-process EV-process

Константы гашения O2(A3u

+,v=0-10)+N2

0 2 4 6 8 10V ibrational levels

A 3u

N 2

k, cm 3s -110 -10

10 -12

10 -14

10 -16

Результаты расчета - сплошная линия

EV-процесс - штрихиKnutsen et al., 1994, J.

Chem. Phys., 101, p.7415 - крестики

Константы гашения O2(A3u

+,v=0-10)+O2

Результаты расчета - сплошная линия

EV-процесс - штрихиKnutsen et al., 1994,

J. Chem. Phys., 101, p.7415 – крестики

Copeland, 1994, J. Chem. Phys., 100, p.744 – кружок

0 2 4 6 8 10V ibrational levels

10 -10

10 -12

10 -14

10 -16

k, cm 3s -1

A 3u

O 2

Система уравнений для расчета [O2(A3u

+,v)] и [O2(c1u-,v)]

Av

v vAXY

AYvv

AXvv

v

Av

AAvv

Av NCOkANCOkQ

' ';',

2'''

''2

'' ][][

cvO

v vbaXY

cYvv

vbaY

cYvv

cXvv

v

Av

cAvv

v

Av

cAvv

cv

NOkOkCOkA

NOkNCOkQ

][][][

][][

' ';,,2'

*

';,2''

'

''2

''

*

'

''2

''

Рассчитанные колебательные населенности состояний Герцберга (c1u

, A’3u, A3u+)

на высоте 95 км в атмосфере Земли и на высоте 100 км в атмосфере Венеры

0 2 4 6 8 10 12 14 16Колебательные уровни

Отн

осит

ельн

ые

нас

елен

ност

и

10-1

10-3

101

103

c1u

-

A'3 u

A3u+

ВЕНЕРА

0 2 4 6 8 10 12 14 16Колебательные уровни

Отн

осит

ельн

ые

нас

елен

ност

и

100

10-1

10-2

ЗЕМЛЯ

c1u-

A'3 u

A3u+

Константы гашения O2(A'3u,v=0-11)+CO2

Результаты расчета для разрешенных по спину процессов – сплошная линия

Запрещенные по спину процессы

O2(A'3u,v) + CO2(0,0,0) O2(c1u

,v'=v) + CO2(1,0,0)0.1 - штрих-пунктиры0.01 - штрихи0 2 4 6 8 10 12

Колебательные уровни

10-10

10-12

10-14

10-16

к, см3с-1

A'3 u

CO2

Рассчитанные колебательные населенности состояний Герцберга (c1u

, A'3u, A3u+)

на высоте 100 км в атмосфере Венеры

0 2 4 6 8 10 12 14 16Колебательные уровни

Отн

осит

ельн

ые

нас

елен

ност

и

10-2

100

102

c1u-

A'3 u

A3u

+

ВЕНЕРА

0 2 4 6 8 10 12 14 16Колебательные уровни

Отн

осит

ельн

ые

нас

елен

ност

и10-2

100

102

A'3 u

A3u+

c1u

-

ВЕНЕРА

Bertaux J.-L., Leblanc F., Witasse O., Quemerais E., Lilensten J., Stern S.A., Sandel B., Korablev O.I. Discovery of an aurora on Mars. // Nature, 2005, v.435, p.790-794.

Lillis R.J., Brain D.A., Delory G.T., Mitchell D.L., Luhmann J.G., Lin R.P. Evidence for superthermal secondary electrons produced by SEP ionization in the Martian atmosphere. // Journal of Geophysical Research, 2012, v.117, E03004.

Схема колебательных уровней триплетных состояний молекул азота

и моноокиси углерода

12

0

3

6

9

0

2

5

8

11

14

0

2

5

8

0

3

6

10

14

18

22

27

40

50

60

70

E (103 см-1)

N2

A3u+

B3g W3

u

B'3 u-

E (103 см-1)

70

60

50

40CO

0

3

6

9

0

4

8

12

17

22

12

16

20

0

04

8

12

17

4

9

14

a'3 +

e3 -

d3

a3

Сравнение результатов расчета N2(A3u

+,v)+N2 с данными [Dreyer and Perner, 1973, JCP] N2(A3u

+,v)+O2 с данными [Dreyer et al., 1974, JCP; Piper, 1981, JCP; Thomas and Kaufman, 1985, JCP; De Benedictis and Dilecce, 1997, JCP]

0 5 10 15 20 25Колебательные уровни

k, см3с-1

10-11

10-13

10-15

N2(A,v) + N2

0 5 10 15 20 25Колебательные уровни

k, см3с-1

10-11

10-13

10-15N2(A,v) + O2

Вклады различных процессов на высотах 100 и 80 км: N2(A3u

+) + N2,О2 (темные квадраты и кружки), N2(A3u

+) N2(X1g+) + hv (VK),

N2(a1g) N2(X1g+) + hv (LBH),

авроральные электроны (крестики)

0 10 20 305 15 25Колебательные уровни

104

102

100

10-2

[N2(X,v)], см-3

LBH

VK

e + N2

N2(A) + N2,O2

100 км

0 10 20 305 15 25Колебательные уровни

[N2(X,v)], см-3

103

101

10-1

10-3

80 кмe + N2

VKLBH

N2(A) + N2,O2

De La Haye V., Waite J.H., Cravens T.E., Bougher S.W., Robertson I.P., Bell J.M. Heating Titan’s upper atmosphere.J. Geophys. Res., 2008, v.113, A11314.

12

0

3

6

9

0

2

5

8

11

14

0

2

5

8

0

3

6

10

14

18

22

27

40

50

60

70

E (103 см-1)

N2

A3u+

B3g W3

u

B'3 u- 2

7

8

40

50

60

70

E (103 см-1)

N2

A3u+

B3g W3

u

B'3 u-

7

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

1. Исследование кинетики О2* в смеси газов О2, N2, СО, СО2 и др.

Расчет скоростей процессов гашения (образования?) О2* с учетом EV-процессов

2. Построение модели электронной кинетики СО* (N2*) в смеси газов О2, N2, СО, СО2 и др.

Расчет констант гашения для триплетных состояний СО.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !