Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование химического и излучательного баланса высокоширотной верхней атмосферы с учетом колебательно-возбужденных частиц

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Моделирование химического и излучательного баланса высокоширотной верхней атмосферы с учетом колебательно-возбужденных частиц"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

'? Г б О Д На правах рукописи

1 9 ШШ ¡3^3 УДК 551.510.53; 551.510

Кириллов Андрей Серафимович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО И ИЗЛУЧАТЕАЬНПГО БАЛАНСА ВЫСОКОШИРОТНОЙ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ С УЧЕТОМ КОЛЕБАТЕЛЬНО - ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 04.00.23 - физика, атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской Академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор H.H. Шефов доктор физико-математических наук A.B. Павлов

Ведущая организация: Институт космических исследований Российской Академии наук

Защита состоится " Лньа[я- 1998 г. в ¿3. час.

на заседании Специализированного Совета Д. 002. 83. 01 при ИЗМИРАН

142092, г. Троицк Московской обл., (проезд автобусом 531 от станции метро "Теплый стан" до остановки "ИЗМИРАН").

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета при ИЗМИРАН

доктор физико-математических наук О.П. Коломийц«

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований аэрономических процессов в хиовиях возбуждения внутренних степеней свободы обусловлена :м, что они содействуют научному пониманию особенностей химии лазмы, ее связи с внутренним возбуждением атомных и олекулярных составляющих, излучением ими различных линий и олос. Анализ экспериментальных данных по свечению атмосферных омпонентов, состава верхней атмосферы позволяет оценивать сорости взаимодействия элементарных частиц, их зависимость от гепени внутреннего возбуждения реагентов. Поскольку энцентрации частиц в верхней атмосфере значительно меньше, чем лабораторных условиях, экспериментальные данные, полученные со тутников, ракет и т. п., априори могут не содержать вклады от азличных побочных эффектов, от которых в лабораторных условиях е удается избавиться. Тем самым подчас значительно облегчается зализ проведенных измерений и понимание особенностей реакций ежду компонентами ионосферной плазмы в условиях слабых и ильных возмущений.

Предметом исследований настоящей работы является имический состав и инфракрасное излучение высокоширотной грхней атмосферы во время авроральных возмущений. Для этих сследований используется метод математического моделирования.

Цель настоящей работы состоит в детальном исследовании еханизмов колебательного возбуждения и гашения молекулярных эставляющих верхней атмосферы N2, О2, N0 во время авроральных эзмущений, скоростей атомно-молекулярных процессов, шисимости химической кинетики и интенсивностей ИК- излучений гмосферы от степени колебательного возбуждения молекул.

Научная и практическая ценность настоящих исследований эстоит в том, что результаты проведенных исследований расширяют эзможности моделирования поведения ионосферной плазмы во эемя авроральных возмущений. Проведенные в настоящей работе сследования могут быть расширены на случай изучения гмосферного баланса в условиях сильного разогрева нейтралов, онов, электронов, значительного роста внутренней энергии олекулярных составляющих, плазмохимии лабораторного разряда в :ловиях высоких давлений. Собранные данные по скоростям

еУ,ТУ,УТ,УУ,УУ- процессов и ряда химических реакций составляют базу для анализа экспериментальных данных, полученных как в разреженных, так и плотных средах.

Научная новизна.

Впервые по сечениям Герценберга (модель "бумеранга") и Казанского и др. (квазиклассическое приближение) рассчитаны коэффициенты скорости неупругого рассеяния электронов на N2 в условиях начального колебательного возбуждения молекулярного азота. Коэффициенты представлены в аналитическом виде, позволяющем экстраполяцию в область больших значений колебательных чисел.

Впервые теория возмущения первого порядка с учетом поправок на изменение частоты осцилляций при сближении частиц, притяжение частиц, ангармоничность молекулярных колебаний, квазиклассичность движения и 3-мерность столкновения используется для расчета коэффициентов IV, УТ, УУ, УУ- процессо! при столкновениях Иг-^, 02-02, N2-02, показывая хорошее согласие с экспериментальными данными для всех видон столкновений.

Впервые показано, что в возбуждении высоких колебательны:? уровней основного состояния N2 во время электронных авроральны> высыпаний на всех высотах полярной ионосферы значительную рол! играют каскадные процессы с триплетных электронно-возбужденны) состояний из-за сильного сдвига потенциальных кривых основной Х'Е8+ и А3Еи+ состояний.

Впервые приближение Ландау- Зинера используется дл) оценки скорости гашения метастабильного молекулярного азота н; атомном кислороде и роли такого гашения в колебательное возбуждении N2 на высотах полярной ионосферы, гд> столкновительное время жизни терма А3Еи+ намного меньш радиационного.

Впервые при расчете образования окиси азота во врем: электронных высыпаний, сопровождаемых пучково-плазменным: взаимодействиями, рассматривается роль реакции атомного азота колебательно-возбужденным молекулярным кислородом.

Впервые показано, что ракетные измерения интенсивносте полосы 5.3 мкм окиси азота во время полярных сияний могут быт использованы для оценки колебательного возбуждения окиси азот при реакции метастабильного атомного азота с 02 и диагностик состава высокоширотной верхней атмосферы.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, отборе из научной литературы экспериментального материала, его анализе, выполнении расчетов и интерпретации полученных результатов. Результаты, полученные в настоящей работе, получены автором самостоятельно или на правах с соавторами. Автором самостоятельно сформулированы положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся :

1. Результаты теоретических исследований коэффициентов IV, \Т, УУ, УУ- процессов в рамках теории возмущения первого порядка с учетом поправок на изменение частоты осцилляций при сближении частиц, притяжение частиц, ангармоничность молекулярных колебаний, квазиклассичность движения и 3-мерность столкновения.

2. Анализ в рамках приближения Ландау- Зинера главного механизма колебательного возбуждения Нг(у>5) и свечения зеленой линии 557.7 нм в полярной ионосфере во время авроральных электронных высыпаний.

3. Результаты теоретических исследований особенностей химического и инфракрасного баланса во время пучкоро-плазменных взаимодействий, сопровождаемых значительным ростом температуры ионосферных электронов и образованием сверхтепловых хвостов в их распределении по энергиям.

4. Использование ракетных спектрометрических измерений полосы 5.3-мкм окиси азота для диагностики концентраций атомного кислорода в нижней термосфере и оценки колебательного возбуждения N0 8 химической реакции метастабильного атомного азота с молекулярным кислородом.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались: на семинарах ПГИ КНЦ РАН; ежегодных Апатитеких семинарах в 1996 и 1997 г.; ежегодных Европейских совещаниях по исследованию атмосферы оптическими методами: 19-ом в Кируне (Швеция), 1992, 20-ом в Апатитах (Россия), 1993, 22-ом в Хельсинки (Финляндия), 1995, 23-ем в Киеве (Украина),1996, 24-ом в Анденезе (Норвегия),1997; Международной оптической конференции в Тромсе (Норвегия), 1993; 30-ой Ассамблее КОСПАР в Гамбурге (Германия), 1994.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации - 153 страницы, в том числе : текст - на 95 страницах, 27 рисунков - на 31 странице, 9 таблиц - на 10 страницах, библиография из 208 наименований - на 17 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, ее актуальность, научная и практическая значимость, научная новизна полученны> результатов, положения, выносимые на защиту, кратко изложенс содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены различные плазмохимически< процессы, приводящие к колебательному возбуждению и гашению N и Ог и описаны методы, позволяющие оценить скорости эти: процессов.

На основании имеющихся в научной литературе данных < поперечных сечениях рассеяния молекулами электронов рассчитываютс коэффициенты колебательного возбуждения N2 и О2 электронам] максвелловской части в их распределении по энергии и сверхтепловы хвостов. Для максвелловской части расчет коэффициентов скоро ст неупругого рассеяния электронов на N2 производится по сечения! Герцеиберга (модель "бумеранга") и Казанского и др. (квазиклассическо приближение) для 2П„ резонанса, при этом по абсолютной величин коэффициенты нормировались на значения, полученные из анализ дрейфовой скорости и характеристической температуры электронов разряде в N3. Учтены также процессы прямого возбуждения. Сечени 2Гц~ резонанса для N2 и резонанса для О2 учтены для расчета скорост колебательного возбуждения сверхтепловыми хвоспами. Все рассчитаннь коэффициенты • представлены в аналитическом виде, позволяюще экстраполяцию в область больших значений колебательных чисел.

Теория возмущения первого порядка используется для расчет коэффициентов ТУ, УТ, УУ, УУ- процессов для столкновений N N2, О2-О2, N2-02. Указаны поправки на 3-мерность, изменен! частоты осциллятора, притяжение частиц, квазиклассичнос движения и ангармоничность, которые необходимо учитывать пр подобных расчетах как для колебательно-поступательного, так колебательно-колебательного обмена энергией. Из нормиров! полученных аналитических выражений для УТ-процессов I экспериментальные данные по временам релаксации оценивают!

^ерические факторы и радиусы обменных потенциалов для молекул 1г и 02. Проводится сравнение со всеми имеющимися кспериментальными данными для колебательно-колебательных ереходов в смеси N2 и Ог и получено хорошее согласие.

По имеющимся в научной литературе экспериментальным данным о колебательной релаксации 02 при неадиабатических столкновениях с гомным кислородом рассчитываются коэффициенты гашения 02(у) на О. [роводится сравнение настоящих оценок с давними оценками скоростей гош процесса проф. Никитиным Е.Е., где были учтены вклады всех эзможных процессов: адиабатического Ландау- Теллера, еадиабатического Ландау- Зинера и обмена атомом кислорода из-за аличия групп симметрии.

Во второй главе рассмотрена колебательная кинетика N2 и Ог основном электронном состоянии в полярной ионосфере и ее связь химическим балансом атмосферы во время пучково-плазменных заимодействий, сопровождаемых значительным ростом температуры оносферных электронов.

Рассматриваются возможные механизмы колебательного озбуждения основного электронного состояния N2 и Ог в полярной оносфере. Рассчитаны вклады этих механизмов для авроральных кектронных высыпаний. Показано, что в возбуждении высоких олебательных уровней основного состояния N2 во время полярных ияний значительную роль играют каскадные процессы с триплетных гсектронно-возбужденных состояний из-за сильного сдвига отенциальных кривых основного Х1Е8+ и метастабильного А3£ц+ эстояний.

Приближение Ландау- Зинера используется для того, чтобы ассчитать скорости колебательного возбуждения N2 при голкновительном гашении метастабильного молекулярного азота [2(А31и+,у) на атомном кислороде. Рассчитывается вклад каждого из Р,^,^- каналов этой реакции гашения в колебательное эзбуждение N2 на высотах, где столкновительное время жизни ровня А3Еи+ значительно меньше радиационного. Рассчитанные оэффициенты используются, чтобы оценить вклад электронного шения Ы2<А3Еи+,у=0-10) на атомном кислороде в свечение зеленой инии 557.7 нм атомного кислорода. Показано, что определяющую оль в свечении 557.7 нм играет нулевой колебательный уровень, и олучеио хорошее согласие расчетов с экспериментальными данными акетных измерений.

Исследуется связь колебательной кинетики N3 и О2 с химически! составом атмосферы в условиях сильного роста температуры фоновы ионосферных электронов и образования сверхтепловых хвостов в и распределении. Учитывается вклад реакций N2(^12)4-0 и Ь'С^+С^О*') образование N0. Расчеты концентрации окиси азота в плазменнс турбулентных слоях проводятся при различных значения а - эффективности колебательного возбуждения в уменьшени активационного барьера реакции N(4S) с 02(у). Определяется значение ( начиная с которого колебательно-возбужденный 02 ускоряет образован!; N0.

В третьей главе рассматриваются различные механизм образования колебательно-возбужденной окиси азота и ее свечения полосах 5.3 и 2.7-мкм во время авроральных возмущений.

Рассчитываются высотные профили вклада всех рассматриваем!, механизмов в свечение N0 для сияний с интенсивностью свечещ 10-1000 кК полосы 391.4 нм иона молекулярного азота. Рассчитывают« энергетические эффективности всех рассмотренных механизмов авроральном свечении 5.3 и 2.7- мкм эмиссий (т.е. доля энерп высыпающихся частиц, трансформируемая через эти процессы в И1 свечение окиси азота) и проводится их сравнение с эффективносгями д химической люминесценции, оцененными из результатов ракетных самолетных измерений.

Исследуется изменение энергетических эффективносгей процес УУ- переноса колебательной энергии с N2 на N0 и химической реакщ высоко возбужденных молекул N2 с атомным кислородом в услови сильного роста температуры фоновых электронов во время пучков плазменных взаимодействий. Показано, что эффективность эт процессов в плазменно-турбулеитных слоях значительно возрастает.

Ракетные измерения распределения N0^) в авроральн! ионосфере используются для оценки колебательного возбужден: окиси азота в результате реакции метастабильного атомного азо Ы(2Р) и молекулярного кислорода. Показана связь в данном анали между параметром "неожиданности", характеризующем колебателен возбуждение N0, и используемым профилем концентраций атомно кислорода. Проводится сравнение полученного с помощью моде. М515-83 параметра "неожиданности" с результатами имеющих лабораторных измерений. Полученная оценка парамет "неожиданности" находится в хорошем согласии с последни) лабораторными измерениями. Указано на возможность диагноста

состава высокоширотной верхней атмосферы из измерения интенсивностей И К- полос окиси азога.

В заключении сформулированы основные результаты настоящей работы:

1. Используя современные экспериментальные данные и теоретические методы, рассчитаны и аппроксимированы аналитическими выражениями коэффициенты скоростей плазмохимических процессов с участием колебательно-возбужденных молекул N2^) и 02(у):

а) колебательного возбуждения ^(у=0-3) в еУ-процессах

+ N^0-3) ->ет + Лг/у+ЛУ; , Лу=1-3, на основании имеющихся в научной литературе теоретических расчетов в рамках модели "бумеранга" сечений рассеяния электронов молекулярным азотом,

б) ТУ, УТ, УУ и УУ-процессов в смеси газов N2 и 02 в рамках теории возмущения первого порядка с учетом поправок на 3-мерность, изменение частоты осциллятора, притяжение частиц, квазиклассичность движения и ангармоничность, при этом получено хорошее согласие с экспериментальными данными по всем рассмотренным видам переноса энергии;

в) УТ-процееса релаксации (^(у) на атомном кислороде по имеющимся экспериментальным данным времени релаксации, при этом получено хорошее согласие для вероятности перехода Рю с давними оценками проф. Никитина Е.Е.

2. Рассмотрены основные механизмы образования колебательно-возбужденных N2, О2, N0 в авроральной ионосфере. Показано, что каскадные переходы с триплетных состояний являются основным механизмом возбуждения высоких колебательных уровней молекулярного азота. Впервые приближение Ландау- Зинера используется для расчета коэффициентов реакции гашения метастабильного молекулярного азота на атомном кислороде для 3Р, 'О, 'Б- каналов. При этом :

а) проведен расчет колебательного возбуждения N2 на высоте, где для нижнего триплетного состояния А3£и+ гашение происходит главным образом при столкновениях с атомным кислородом, и показано, что в рамках приближения Ландау- Зинера 3Р и Ф-каналы процесса гашения дают приблизительно одинаковый вклад в колебательное возбуждение N2, имея расхождение с ^-каналом;

б) впервые учитывается вклад всех колебательных уровней метастабильного азота в процессах возбуждения атомного кислорода

в tS-состояние и свечения зеленой линии в авроральной ионосфере и показано, что определяющий вклад в возбуждение ^-состояния атомного кислорода вносит уровень v=Q состояния A3XU+ N2 .

3. Рассмотрено образование окиси азота в тонкш спорадических слоях ионосферы, где во время высыпания авроральных электронов возможно развитие пучково-плазменных неустойчивостей, ведущих к повышенной до нескольких тысяч |радусов температуре фоновых электронов или образованию сверхтепловых хвостов в их распределении. Впервые показано, чтс колебательно-возбужденный молекулярный кислород может ускорит! образование окиси азота в тонких слоях, если эффективность егс колебательной энергии в уменьшении активационного барьера реакции с атомным азотом больше значения 0.3. Также показано, чтс в тонких слоях значительный вклад в свечение ИК- полос окиси азота могут вносить W- процесс переноса энергии с Nîiv) и химическая реакция высоко возбужденных N2(v£l2) с атомным кислородом.

4. Показано, что измерения распределения NO(v) 1 авроральной ионосфере могут быть использованы для оценки концентраций атомного кислорода в верхней атмосфере и колебательного возбуждения окиси азота в результате реакции метастабильного азота N(2D) и молекулярного кислорода. С помощью модели MSIS-83 определяется параметр "неожиданности' данной реакции. Полученная оценка параметра "неожиданности' находится в хорошем согласии с последними лабораторными измерениями.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кириллов А.С. Скорости плазмохимических процессов с участием колебательно-возбужденных молекул. // Космические исследования, 1997, т.35, №2, с.155-163.

2. Аладьев Г.А., Кириллов А.С. Колебательная кинетика N2 у Ог в высокоширотной верхней атмосфере. // Космические исследования, 1997, т.35, №3, с.227-234.

3. Aladjev G.A., Kirillov A.S. The thermospheric infrared coolini in the aurora. // Conférence Proceedings of 19th Annual European Meeting by Optical Methods, IRF Scientific Report 209, ISSN 0284-1703, 1992, p.436-439.

4. Aladjev G., Kirillov A. Simulation of the thermospheric infrared émissions in the aurora. // in Atmospheric Radiation, ed. K.H. Stamnes, Proceedings SPIE 2049, 1993, p.256-262.

5. Kirillov A.S., Aladjev G.A. Production and vibrational kinetics of ritric oxide in the disturbed polar thermospliere. // Adv. Space Res., 1995, /.16, №1, p. 105-108.

6. Aladjev G.A., Kirillov A.S. Vibrational kinetics of molecular litrogen and its role in the composition of the polar thermosphere. // Adv. Space Res., 1995, v.16, №1, p.109-112.

7. Kirillov A. Research on vibrational^ excited N2. // News of IRI 30SPAR, 1995, v.2, №4, p.6-7.

8. Kirillov A.S. Vibrationally excited molecular nitrogen and its role n radiational balance of polar upper atmosphere. // Book of Abstracts of 12nd Annual European Meeting by Optical Methods, Helsinki, Finland, 1995, C-2. (Принята в печать в Annales Geophysicae 16.09.97 как статья "The calculation of TV, VT, W, W- rate coefficients for the collisions of the main atmospheric components").

9. Kirillov AS., Aladjev G.A. Determination of atomic oxygen concentrations from measured intensities of infrared nitric oxide radiation. // Book of Abstracts of 22nd Annual European Meeting by Optical Methods, Helsinki, Finland, 1995, G-4. (Принята в печать в Annales Geophysicae 16.09.97 как статья "Estimation of atomic oxygen concentrations from measured ntensities of infrared nitric oxide radiation").

10. Kirillov A. From Landau-Teller to Feynman approximation in :he calculation of the rate coefficients for VT, W and W- energy transfers n the collisions of atmospheric components. // Book of Abstracts of 24th \nnual European Meeting by Optical Methods, Andenes, Norway, 1997, э.13. (Принята в печать в Conference Proceedings).

11. Kirillov A. Application of Landau-Zener approximation in the calculations of rate coefficients of the reaction N2(A3,v)+0(3P) -> Nj/X'yj+O^P^D.'S). // Book of Abstracts of 24th Annual European Meeting by Optical Methods, Andenes, Norway, 1997, p.63. (Принята в печать в Conference Proceedings). 1

Благодарности. Автор диссертации благодарит своих соавторов по опубликованным работам Иванова В.Е. и Аладьева ГА за их помощь в изучении особенностей химической и колебательной кинетики молекулярных составляющих и моделировании физико-химических троцессов в высокоширотной верхней атмосфере. Особую признательность автор выражает Аладьеву ГА за численное моделирование на ЭВМ рассматриваемых плазмохимических процессов, эез которого было бы невозможным написание данной работы.

Автореферат

Кириллов Андрей Серафимович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО И ИЗЛУЧАТЕАЬНОГО БАЛАНСА ВЫСОКОШИРОТНОЙ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ С УЧЕТОМ КОЛЕБАТЕЛЬНО - ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ

Технический редактор В.А.Ганичев

Лицензия ПЛД № 54-12 от 18 августа 1995г.

Подписано к печати 03.12.97.

Формат бумага 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0.93. Уч.-изд.л. 0.7. Усл.краско-от. 0.93. Заказ № 89. Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова РАН 184200, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14