Электронная кинетика молекул O2, N2, CO в верхних

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
b1g+ в нижней термосфере и мезосфере при Т = 300 и 200 К
(сплошная линия и штрихи) сравниваются с экспериментальными оценками [Slanger et al., 2000, JGR] (квадраты)
k, см3с-1
100
Населенность
10-11
-12
10
10-13
O2(b1
0
10-1
10-2
+
g
,v) + O2
5
10
15
Колебательные уровни
20
0
5
10
15
Колебательные уровни
20
Полосы Герцберга I (A3u+,vX3g,v’) и Чемберлена (A’3u,va1g,v’) в
свечении ночного неба Земли (Broadfoot & Bellaire, JGR, 1999, v.104, p.17127)
Полосы Герцберга II (c1u,v=0X3g,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.573574.
Slanger T.G. Generation of O2(c1u, C3u, A3u+) from oxygen atom
recombination. // J. Chem. Phys., 1978, v.69, p.47794791.
Slanger T.G., Black G. The O2(C3ua1g) bands in the nightglow
spectrum of Venus. // Geophys. Res. Lett., 1978, v.5, p.947948.
О + О + М  О2* + M
О2* = O2(c1u, A'3u, A3u+)
Квантовые выходы
10-1
A'3
A3
10-3
u
+
u
c1
u
10-5
10-7
0
2 4 6 8 10 12 14 16
Колебательные уровни
Рассчитанные населенности колебательных уровней состояний
A3u+ и A‘3u в нижней термосфере и мезосфере при kО=11011,
31011, 101011 см3с1 (сплошная линия, штрихи и штрихпунктиры) сравниваются с экспериментальными оценками
Stegman and Murtagh, 1988, PSS] (кружки) и [Slanger et al., 2004,
AG] (крестики)
1.5
1.5
A'3u
Населенность
Населенность
A3u
1.0
0.5
0.0
0
2
4
6
8
Колебательные уровни
10
1.0
0.5
0.0
0
10
8
6
4
2
Колебательные уровни
12
Kirillov A.S., The calculations of quenching rate
coefficients of O2(b1g+,v) in collisions with O2, N2, CO,
CO2 molecules, 2013, Chemical Physics, v.410, p.103
Приближение Розена-Зинера

T
| E |
E 
 qv , v '
k (v )  k o  
exp  

300
  T / 300 2k BT 
O2(A3u+,v)+CO2(0,0,0)  O2(X3g, A'3u;v')+CO2(v1,v2,v3)
1 = 0.17
2 = (0.17)2 ~ 0.029
3 = (0.17)3 ~ 0.0049
 = 0.06 (N2)
Константы гашения
O2(A3u+,v=0-10)+CO2
10-10
-12
10
k, cm3s-1
E-process
Результаты расчета сплошная линия
E-процесс - штрихпунктиры
EV-процесс - штрихи
Knutsen et al., 1994, J.
Chem. Phys., 101,
p.7415 - крестики
EV-process
10-14

10-16
0
A3u
CO
2
2
4
6
8
Vibrational levels
10
Константы гашения
O2(A3u+,v=0-10)+N2
3 -1
10-10 k, cm s
Результаты расчета сплошная линия
EV-процесс - штрихи
Knutsen et al., 1994, J.
Chem. Phys., 101,
p.7415 - крестики
10-12
10-14
10-16
0
A3  u
N2
2
4
6
8
Vibrational levels

10
Константы гашения
O2(A3u+,v=0-10)+O2
10
-10
k, cm3s-1
Результаты расчета сплошная линия
EV-процесс - штрихи
Knutsen et al., 1994,
J. Chem. Phys., 101,
p.7415 – крестики
Copeland, 1994,
J. Chem. Phys., 100,
p.744 – кружок
10-12
10-14
10-16
0
A 3u
O2
2
4
6
8
Vibrational levels

10
Система уравнений для расчета
[O2(A3u+,v)] и [O2(c1u-,v)]
Q   k [CO2 ] N   k
c
v
A'c
v 'v
A'
v'
v'
* A'c
v 'v
[O2 ] N 
A'
v'
v'

 c
cX
cY
*cY
  Avv '   kvv ' [CO2 ]   k vv '[O2 ]  kO [O] N v
Y  a ,b; v '
Y  X , a ,b; v '
 v'

Q  k
A
v
v'
A' A
v 'v

 A
AX
AY
[CO2 ] N   Avv '   kvv ' [CO2 ] N v
Y  X , A ';v '
 v'

A'
v'
ЗЕМЛЯ
100
A'3
A3
u
+
u
10-1
c1
u
10-2
0
2 4 6 8 10 12 14 16
Колебательные уровни
Относительные населенности
Относительные населенности
Рассчитанные колебательные населенности
состояний Герцберга (c1u, A’3u, A3u+)
на высоте 95 км в атмосфере Земли и
на высоте 100 км в атмосфере Венеры
103
ВЕНЕРА
A'3
1
10
10-1
A3
u
+
u
c1
u
10-3
0
2 4 6 8 10 12 14 16
Колебательные уровни
Константы гашения
O2(A'3u,v=0-11)+CO2
10-10
Результаты расчета для
разрешенных по спину
процессов – сплошная
линия
к, см3с-1
10-12
10-14
10-16
0
A'3 u
CO2
2
4
6
8
10
Колебательные уровни
12
Запрещенные по спину
процессы
O2(A'3u,v) + CO2(0,0,0) 
O2(c1u,v'=v) + CO2(1,0,0)
0.1 - штрих-пунктиры
0.01 - штрихи
ВЕНЕРА
102
A'3
u
100
A3
+
u
c1
u
10-2
0
2 4 6 8 10 12 14 16
Колебательные уровни
Относительные населенности
Относительные населенности
Рассчитанные колебательные населенности
состояний Герцберга (c1u, A'3u, A3u+)
на высоте 100 км в атмосфере Венеры
ВЕНЕРА
102
A'3
u
100
A3
+
u
c1
u
10-2
0
2 4 6 8 10 12 14 16
Колебательные уровни
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
E (103 см-1)
E (103 см-1)
27
12
14
22
9
11
18
70
14
3
0
B3
g
0
W3
3
B'
u
+
u
70
20
22
17
14
16
17
12
9
12
8
8
4
4
0
12
9
60
6
u
3
50
0
A3
40
2
6
50
2
0
5
10
3
5
8
6
60
8
N2
0
e3
-
d3
0
a'3
+
0
a3
40
4
CO
Сравнение результатов расчета
N2(A3u+,v)+N2 с данными [Dreyer and Perner, 1973, JCP]
N2(A3u+,v)+O2 с данными [Dreyer et al., 1974, JCP;
Piper, 1981, JCP; Thomas and Kaufman, 1985, JCP;
De Benedictis and Dilecce, 1997, JCP]
k, см3с-1
k, см3с-1
10-11
10-11
10-13
10-15
0
10-13
N2(A,v) + N2
20
15
10
5
Колебательные уровни
10-15
25
0
N2(A,v) + O2
20
15
10
5
Колебательные уровни
25
Вклады различных процессов на высотах 100 и 80 км:
N2(A3u+) + N2,О2 (темные квадраты и кружки),
N2(A3u+)  N2(X1g+) + hv (VK),
N2(a1g)  N2(X1g+) + hv (LBH),
авроральные электроны (крестики)
[N2(X,v)], см-3
4
10
[N2(X,v)], см-3
100 км
e + N2
103
LBH
VK
2
10
LBH
VK
101
10
10-1
10-2
10-3
0
0
80 км
e + N2
N2(A) + N2,O2
5
10 15 20 25
Колебательные уровни
30
0
N2(A) + N2,O2
5
10 15 20 25
Колебательные уровни
30
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.
E (103 см-1)
E (103 см-1)
27
22
14
9
11
18
70
14
60
50
2
0
3
2
0
B3
g
0
W3
B'3
u
+
u
70
7
2
60
B'3
8
B3
u
g
W3
u
u
50
0
A3
7
5
5
6
3
8
8
6
10
40
12
N2
A3
40
+
u
N2
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 !