Document 2227602
advertisement
Венеры принципиально отличается от свечения О2 ночного неба Земли, где доминируют полосы Герцберга I и Чемберлена. Спустя 30 лет в 2009 году в эксперименте ВИРТИС на КА «Венера-Экспресс» данные, полученные группой Краснопольского В.А., были подтверждены (Garcia-Munoz et al., 2009). Автор диссертации проводит кинетические исследования релаксации энергии электронного возбуждения молекулярного кислорода в различных газах (СО2, СО, N2, О2) и указывает на основные столкновительные процессы, приводящие к различию свечения молекулярного кислорода в атмосфере Земли (основные составляющие N2 и О2) и Венеры (основная составляющая СО2). Целью работы А.С. Кириллова является разработка фотохимических моделей возмущенных атмосфер планет земной группы, позволяющих проводить кинетические исследования образования и гибели электронно-возбужденных и колебательно- возбужденных молекул в столкновительных и излучательных процессах. Особое внимание уделено столкновительных процессам с участием возбужденных молекул: расчету констант скоростей гашения, квантовым выходам продуктов взаимодействия, скоростям образования новых возбужденных состояний пре неупругих столкновениях. Диссертант самостоятельно разработал методику расчета констант скоростей неупругих процессов при взаимодействии молекул. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации 228 стр., в их числе более 100 рисунков. Список литературы содержит 237 ссылки. Во введении сформулирована цель работы, ее актуальность, научная и практическая значимость, научная новизна полученных результатов, положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации. Первые две главы посвящены исследованию особенностей молекулярных взаимодействий с участием электронно-возбужденных молекул, сравнению результатов расчета с многочисленными экспериментальными данными. Результаты теоретических расчетов коэффициентов гашения электронно-возбужденных состояний молекулярного азота и кислорода позволили сделать выводы относительно: доминирования межмолекулярных процессов переноса электронного возбуждения при столкновении синглетного кислорода О2(a1g) и О2(b1g+) с молекулами O2, доминирования межмолекулярных процессов переноса электронного возбуждения при столкновении метастабильного азота N2(A3u+) с молекулами N2 и O2, значительного вклада электронноколебательных процессов переноса энергии возбуждения в гашение ряда состояний молекулярного кислорода молекулой углекислого газа. Рассчитанные константы скоростей гашения семи состояний молекулярного азота в столкновениях с молекулами N2 и О2 используются при исследовании влияния столкновительных процессов на населенности колебательных уровней электронновозбужденных N2(a1g) и N2(A3u+) молекул (ответственных за свечение полос ЛайманаБирджа-Хопфилда и Вегарда-Каплана в атмосферах планет и лабораторных условиях) для условий лабораторного разряда в смеси газов N2 и O2 при содержании молекулярного кислорода 0-20% и при давлениях смеси 1-1000 Па. В диссертации показано, что молекулярные столкновения вызывают изменения в относительных населенностях колебательных уровней этих состояний и в отношениях интенсивностей ультрафиолетовых полос молекулярного азота (Лаймана-Бирджа-Хопфилда и ВегардаКаплана) с ростом давления и содержания О2. Впервые показано, что распределение населенностей семи колебательных уровней v=06 синглетного состояния a1g в условиях лабораторного разряда незначительно изменяется с ростом атмосферного давления. Данные исследования представляют интерес для дальнейших исследований авроральных явлений, недавно зарегистрированных в атмосфере Марса (Bertaux J.-L. et al., Discovery of an aurora on Mars, Nature, 2005, v.435, p.790-794). Наблюдавшееся спектрометром СПИКАМ с КА «Марс-Экспресс» свечение окиси углерода СО в атмосфере Марса принадлежит системе полос Камерона и четвертой положительной системе. Данные две системы обусловлены переходами с состояний a3Π и A1Π, которые являются аналогами состояний молекул азота, рассмотренных в диссертации, поскольку СО и N2 – изоэлектронные молекулы. Поэтому данные исследования с учетом разработанных методик и приближений могут быть продолжены при изучении авроральных явлений в атмосфере Марса. В третьей главе приводятся детальная модель кинетики состояний Герцберга c1u, A'3u, A3u+ электронно-возбужденных молекул кислорода и синглетного кислорода О2(b1g+) на высотах нижней термосферы и мезосферы в области свечения ночного неба атмосферы Земли, а также детальная модель кинетики электронно-возбужденных состояний Герцберга c1u, A'3u, A3u+ молекул кислорода в области свечения ночного неба атмосфер Венеры и Марса, где основным компонентом является углекислый газ. Проведено сравнение рассчитанных колебательных населенностей двух триплетных состояний Герцберга О2(A3u+) и О2(A'3u) на высотах 80-110 км с результатами имеющихся в научной литературе экспериментальных оценок по спектральным наблюдениям и получено хорошее согласие. Рассчитаны относительные колебательные населенности синглетного кислорода O2(b1g+) на высотах 80-110 км с учетом гашения электронного возбуждения в спонтанных излучательных процессах и неупругих столкновениях с основными атмосферными составляющими. Впервые проведено сравнение рассчитанных населенностей с результатами экспериментальных оценок, выполненных с помощью телескопа Keck I, и показано, что бимодальное поведение измеренных интенсивностей свечения полос Атмосферной системы, полученное в измерениях, может быть объяснено именно особенностями зависимости коэффициентов гашения O2(b1g+) молекулами кислорода от колебательного уровня, а не различными механизмами образования. Рассчитанные константы гашения состояний Герцберга c1u, A'3u, A3u+ молекулами СО2, СО, N2, О2 использованы при моделировании колебательных населенностей этих состояний Герцберга в верхних атмосферах Венеры и Марса, где доминирует углекислый газ. Результаты расчетов показали, что учет запрещенного по спину взаимодействия возбужденное в триплетное состояние молекулы O2(A'3u) с молекулами CO2 с образованием O2(c1u) позволяет достичь лучшего согласия со спектральными наблюдениями с летательных аппаратов Венера-9 и Венера-10, опубликованных Краснопольским и др. в 1976 году, и данными лабораторных экспериментов в смесях О2-СО2. В четвертой и пятой главах представлена детальная модель электронной и колебательной кинетики состояний N2 и O2 на высотах авроральной ионосферы, где молекулярные столкновения играют значительную роль в процессах гашения и образования электронно-возбужденных и колебательно-возбужденных молекул. Модель учитывает полное рассмотрение цепочки деградации энергии возбужденных состояний молекул N2 и О2 с учетом неупругих столкновений. Было численно получено, что для высот нижней термосферы и мезосферы столкновительные процессы вызывают повышение населенностей высоких колебательных уровней A3u+ и B3g состояний, что в свою очередь приводит к изменению цвета нижнего края авроры типа Б за счет перераспределения в интенсивностях полос первой положительной системы. Также впервые показано, что в авроральной ионосфере сохраняется приблизительное постоянство соотношения интенсивностей эмиссий полос системы Лаймана-Бирджа-Хопфилда молекулярного азота N2 в воздухе при различных атмосферных давлениях. Возможно, что этот факт может быть использован при диагностике атмосфер планет и их спутников, атмосфера которых состоит в основном из молекул азота. Соотношение интенсивности полос системы Лаймана-Бирджа-Хопфилда при вторжении в атмосферу высокоэнергичных частиц (скажем, например, из солнечного ветра) будет зависеть как от соотношения концентраций других примесей с концентрацией N2, так и от энергии вторгающихся в атмосферу частиц. Расчет колебательных населенностей основных состояний молекулы N2 и О2 на высотах нижней термосферы и мезосферы во время авроральных электронных высыпаний показал значительный вклад механизмов образования колебательно-возбужденных молекул азота: излучательные переходы с A3u+ и a1g состояний, внутримолекулярные процессы переноса электронного возбуждения при столкновениях метастабильных молекул. Проведенные в четвертой и пятой главах кинетические исследования могут быть продолжены для аналогичных исследований кинетики электронно-возбужденных и колебательно-возбужденных молекул угарного газа СО, образующихся в атмосфере Марса при взаимодействии высокоэнергичных частиц (электронов и протонов) с основной газовой составляющей атмосферы Марса СО2. Кроме того, подобные исследования позволят выявить дополнительные механизмы инфракрасного свечения моноокиси углерода СО в атмосферах планет земной группы, так как молекула СО является эффективным инфракрасным излучателем (в отличие от молекулы азота, не имеющей дипольного момента). В заключении суммируются основные результаты диссертации. Диссертация хорошо оформлена, изложена ясным языком. Содержание работы многократно докладывалось на международных конференциях и семинарах ведущих научных учреждений Москвы. Автореферат полностью отражает содержание работы. Однако стоит отметить некоторые замечания по данной работе. Во-первых, автор недостаточно широко отразил космические спектрометрические исследования свечения полос молекулярного кислорода в атмосферах планет земной групп (Марс и Венера), проводимые в последнее десятилетие с бортов КА «Венера-Экспресс», «Марс-Экспресс», «Марс-Реконнесанс-Орбитер». В настоящее время имеется обширный банк данных по светимости полос, обусловленных переходами с синглетных состояний О2, кинетике которых уделяется огромное внимание в диссертации. Во-вторых, в работе упоминаются существующие сейчас исследования электронной кинетики состояний ночных свечений кислорода на планетах земной группы (Krasnopolsky et al., 2011; Gagne et al., 2012). Между тем детального сравнения результатов этих моделей с результатами данной работы нет. Кроме того, при обсуждении результатов моделирования населенности уровней упоминается расхождения или согласие с результатами Венеры 9 и 10, но наглядных графиков с результатами наблюдения, разъясняющих выводы, не приведено, что затрудняет понимание практической реализации результатов моделирования, приведенного в работе. В-третьих, некоторые рисунки «перегружены» рассмотрением вкладов различных механизмов в возбуждение молекул, и неспециалисту трудно выделить основные результаты.
