Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 361-365

ВВЕДЕНИЕ

Молекулярный азот N₂ является главным молекулярным газом в атмосферах Земли, Титана, Тритона и Плутона. Взаимодействие высокоэнергичных ультрафиолетовых фотонов, магнитосферных частиц и космических лучей с атмосферными газами приводит к образованию потоков вторичных электронов во время процессов ионизации молекул [1]. Образованные во время ионизации высокоэнергичные электроны эффективно возбуждают различные триплетные состояния молекулярного азота N₂ при неупругих столкновениях:

Излучение полос Ву–Бенеша (WB), инфракрасного послесвечения (IRA), второй положительной (2PG) и первой положительной (1PG) систем во время спонтанных излучательных переходов

приводит к тому, что энергия электронного возбуждения аккумулируется на колебательных уровнях нижнего триплетного электронно-возбужденного состояния ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$ молекулы азота. Коэффициенты Эйнштейна для дипольно-разрешенных переходов (2a–2в) и (3) имеют высокие значения [2], поэтому излучение вышеупомянутых полос молекулярного азота играет важную роль в электронной кинетике N₂ и перераспределении энергии возбуждения между электронно-возбужденными триплетными состояниями азота на высотах верхних атмосфер планет. В недавних работах [3, 4] впервые было показано, что взаимодействие метастабильного молекулярного азота N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) с молекулами СО играет важную роль в электронном возбуждении молекул угарного газа в атмосферах Титана, Тритона и Плутона.

Главная цель данной работы состоит в моделировании колебательных населенностей состояний Герцберга молекулярного кислорода O₂(${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, A'³Δ_u, ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) и метастабильного молекулярного азота N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) в атмосфере, где доминирует молекулярный азот N₂ с добавкой молекулярного кислорода O₂ (средняя атмосфера Земли). Моделирование колебательных населенностей молекул N₂ и O₂ на высотах атмосферы Земли выполнены с учетом вклада триплетных состояний азота ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$, B³Π_g, W³Δ_u, ${\text{B}}{\kern 1pt} {{'}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, C³Π_u в возбуждение состояний молекулярного кислорода O₂.

КОНСТАНТЫ ГАШЕНИЯ N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ С О₂ МОЛЕКУЛАМИ

Расчет констант скоростей гашения во время неупругих молекулярных столкновений [5] показал, что взаимодействие метастабильного молекулярного азота N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$, υ' = 0) с молекулами кислорода O₂ приводит к переносу энергии и возбуждению состояний Герцберга ${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, A'³Δ_u, ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$ у молекулярного кислорода O₂

(4a)

(4б)

(4в)

Суммарное значение констант процессов (4a–4в) k_4a + k_4б + k_4в = 1.1 ⋅ 10^–12 см³ ⋅ с^–1. Также при данном столкновении эффективно протекает процесс диссоциации молекулы кислорода

с константой взаимодействия k_4г = 1.0 ⋅ 10^–12 см³ ⋅ с^–1. Суммарная константа неупругого взаимодействия N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$, υ' = 0) с молекулой кислорода k₄ = = 2.1 ⋅ 10^–12 см³ ⋅ с^–1 для процессов (4a–4г) находится в хорошем согласии с экспериментально полученными значениями (1.9 ± 0.3) ⋅ 10^–12 см³ ⋅ с^–1 [6], (2.3 ± 0.4) ⋅ 10^–12 см³ ⋅ с^–1 [7] и (2.5 ± 0.4) ⋅ · 10^–12 см³ ⋅ с^–1 [8]. В случае столкновений колебательно-возбужденного метастабильного азота N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$, υ' > 0) с молекулами O₂ главным образом происходит перенос энергии возбуждения на отталкивательные состояния молекулы кислорода с последующей диссоциацией О₂ и образованием двух атомов кислорода [5, 9].

Константы спонтанного излучения состояний Герцберга Y = ${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, A'³Δ_u, ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$ имеют небольшие значения [10], поэтому электронно-возбужденные молекулы кислорода О₂(${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$), О₂(A'³Δ_u), О₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) теряют свою энергию при неупругом взаимодействии с N₂ и O₂ молекулами в атмосфере Земли, после чего происходит трансформация энергии в образование синглетных состояний a¹Δ_u и ${{{\text{b}}}^{1}}\Sigma _{{\text{g}}}^{ + }$ при внутримолекулярных и межмолекулярных процессах переноса энергии:

(5б)

когда возбуждаются высокие колебательные уровни a¹Δ_u и ${{{\text{b}}}^{1}}\Sigma _{{\text{g}}}^{ + }$ состояний при внутримолекулярных процессах (5a) и нижние υ" = 0–2 уровни при межмолекулярных процессах переноса энергии (5б).

ВЛИЯНИЕ МЕТАСТАБИЛЬНОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) НА ВОЗБУЖДЕНИЕ СОСТОЯНИЙ ГЕРЦБЕРГА МОЛЕКУЛ О₂ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

Когда высокоэнергичные протоны (с энергиями порядка нескольких сотен МэВ) или электроны (с энергиями порядка нескольких МэВ) высыпаются в среднюю атмосферу Земли, их неупругое взаимодействие с атмосферными составляющими приводит к процессам ионизации молекул N₂ и О₂, результатом которых становится образование потоков вторичных электронов. Вторичные электроны при столкновениях с молекулами N₂ возбуждают триплетные состояния (1), а при столкновениях с молекулами О₂ возбуждают состояния Герцберга

Проведем расчет скоростей возбуждения триплетных состояний N₂ и состояний Герцберга O₂ вторичными электронами на высотах средней атмосферы Земли, используя метод деградационных спектров в воздухе [11]. Данный метод учитывает процессы возбуждения колебательных уровней основных состояний молекул азота и кислорода, различных электронных состояний, ионизацию и диссоциацию молекул при столкновениях с высокоэнергичными электронами. В настоящей работе мы рассматриваем как процессы прямого возбуждения состояний Герцберга ${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, A'³Δ_u, ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$ вторичными электронами (6), так и процессы переноса электронного возбуждения (4a–4в) при столкновении с метастабильным молекулярным азотом (см. рис. 1).

Рис. 1.

Схема процессов возбуждения и гашения электронно-возбужденных состояний молекулярного азота и молекулярного кислорода в атмосфере Земли.

На рис. 2–4 приведены результаты расчетов концентраций электронно-возбужденных молекул О₂(${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, υ = 0–8), О₂(A'³Δ_u, υ = 0–5), О₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$, υ = 0–4) на высотах 70 и 50 км при выделении энергии W = 10⁶ эВ/см³ ⋅ с, теряемой высокоэнергичными частицами в 1 см³ в единицу времени. Здесь приведены вклад вторичных электронов при прямом возбуждении состояний Герцберга (процесс (6)), а также вклад процессов межмолекулярного переноса энергии электронного возбуждения (4a–4в) представлен для двух случаев: (a) при возбуждении только ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$ состояния вторичными электронами, (б) при возбуждении состояний B³Π_g, W³Δ_u, ${\text{B}}{\kern 1pt} {{{\text{'}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, C³Π_u и переносе энергии с этих четырех состояний на ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$ во время спонтанных излучательных переходов (2a–2в, 3) и при неупругих молекулярных столкновениях [3, 5, 9].

Рис. 2.

Рассчитанные концентрации О₂(${{{\text{с}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, υ = 0–8) на высотах 70 и 50 км: пунктиры – вклад процесса (6), крестики – вклад только A³Σ_u состояния N₂, возбужденного вторичными электронами, кружки – вклад B³Π_g, W³Δ_u, ${\text{B}}{\kern 1pt} {{{\text{'}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, C³Π_u состояний N₂, сплошная линия – сумма всех процессов.

Рис. 3.

Рассчитанные концентрации О₂(A'³Δ_u, υ = 0–5) на высотах 70 и 50 км (обозначения как на рис. 2).

Рис. 4.

Рассчитанные концентрации О₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$, υ = 0–4) на высотах 70 и 50 км (обозначения как на рис. 2).

Представленные результаты наглядно демонстрируют значительный вклад межмолекулярных процессов переноса электронного возбуждения с метастабильного молекулярного азота N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) (процессы (4a–4в)) в образование электронно-возбужденных молекул О₂(${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, υ = 3–7), О₂(A'³Δ_u, υ = 0–5), О₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$, υ = 0–4) на высотах 70 и 50 км средней атмосферы при высыпании высокоэнергичных частиц. Этот факт указывает на то, что при расчете концентраций электронно-возбужденных молекул О₂(${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$), О₂(A'³Δ_u), О₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) в средней атмосфере Земли, в активной среде лабораторного разряда, лазера и т.п., где используется смесь N₂ и О₂, необходимо учитывать кинетику молекулярного азота и особенности неупругого взаимодействия электронно-возбужденного молекулярного азота с молекулами О₂.

При взаимодействии высокоэнергичных частиц (или ультрафиолетовых фотонов) с атмосферными составляющими большую часть энергии частиц (фотонов) может быть поглощена молекулами азота. Однако в дальнейшем при межмолекулярных столкновениях энергия возбуждения молекулярного азота трансформируется в энергию возбужденных состояний кислорода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование кинетики состояний Герцберга ${{{\text{c}}}^{1}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ - }$, A'³Δ_u, ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$ молекулярного кислорода на высотах средней атмосферы Земли во время высыпания в атмосферу высокоэнергичных протонов и электронов. Впервые показана важная роль межмолекулярных процессов переноса энергии электронного возбуждения в кинетике молекулярного кислорода. Результаты расчетов показали, что перенос энергии с метастабильного молекулярного азота N₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{{\text{u}}}^{ + }$) доминирует в процессах возбуждения колебательных уровней состояний Герцберга, для которых эффективно влияние процесса (4а–4в). Влияние процесса переноса энергии (4а–4в) оказывается более эффективным, чем прямое возбуждение вторичными электронами (6) на высотах средней атмосферы Земли.