Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 2, стр. 297-304

ВВЕДЕНИЕ

Возникновение видимого и ультрафиолетового излучения в газовой среде обусловлено электронно-возбужденными атомами и молекулами, а в случае инфракрасного излучения и колебательно-возбужденными молекулами, образование которых связано с различными фотохимическими процессами. Это и химические реакции, в результате которых возникают возбужденные атмосферные составляющие, и процессы неупругих столкновений с электронами и другими частицами с высокой кинетической энергией.

При расчете интенсивностей излучения возбужденных реагентов необходимо учитывать взаимодействие с окружающими компонентами среды. Одним из показателей при расчете является соотношение вероятности излучательного перехода в нижележащее состояние, характеризуемой коэффициентом Эйнштейна А_ν'ν", где ν' – индекс верхнего возбужденного уровня, ν" – индекс нижнего возбужденного уровня, и частоты неупругих столкновений. В разреженных средах, когда частоты столкновений намного меньше вероятностей излучательных переходов, неупругими столкновениями можно пренебречь. Однако на высотах мезосферы и нижней термосферы излучательные и столкновительные времена жизни электронно-возбужденных молекул становятся сравнимыми, поэтому при расчете интенсивностей свечения молекул на данных высотах необходимо учитывать как вероятности спонтанных переходов, так и скорости неупругих взаимодействий, при которых происходит тушение электронного возбуждения.

Процессы рекомбинации атомарного кислорода на высотах мезосферы и нижней термосферы во время тройных столкновений приводят к образованию электронно-возбужденных молекул О₂

где М – третья частица при столкновении. При спонтанных переходах в электронно-возбужденных молекулах кислорода происходит свечение О₂ во многих полосах, что сказывается на излучательном балансе атмосферы на данных высотах [1]. Атомы кислорода образуются в атмосфере Земли в дневное время при фотодиссоциации молекул О₂ солнечным УФ излучением.

Электронно-возбужденный молекулярный кислород ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right),$ образующийся посредством (1) в атмосфере Земли, является источником свечения молекулярного кислорода в полосах Герцберга I (HI) в ночной атмосфере Земли

где ν' – колебательные уровни ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$ состояния, ν" – колебательные уровни основного ${{{\text{X}}}^{3}}\Sigma _{g}^{--}$ состояния. Тройные столкновения (1) с образованием ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ наиболее эффективны на высотах 80–110 км в атмосфере Земли [1]. Измерения интенсивностей свечения О₂ в полосах Герцберга I проводились как во время наземных измерений [2, 3], во время ракетных запусков в верхнюю атмосферу [4, 5], так и с помощью космического корабля “Дискавери” [6].

В работе [7] были получены значения интегральной светимости молекулярного кислорода I (см^–2 с^–1) в полосах Герцберга I, обусловленных излучательными переходами с колебательных уровней ν' = 3–8 электронно-возбужденного кислорода ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ для условий низкой (F_10.7 = 75, 1976 и 1986 гг.) солнечной активности для средних широт. Было проведено сравнение рассчитанных значений интегральной светимости молекулярного кислорода в полосах Герцберга I в условиях низкой солнечной активности [7] с экспериментальными данными, полученными в диапазоне длин волн 260–360 нм спектрографом с космического корабля “Дискавери” (STS 53) [6] в условиях низкой солнечной активности. Показано, что результаты расчетов хорошо согласуются с данными, полученными как с космического шаттла, так и наземными наблюдениями.

Цель данной работы – провести сравнение результатов теоретических расчетов интенсивностей свечения ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в полосах Герцберга I с экспериментальными данными по ночному свечению молекулярного кислорода ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в атмосфере Земли, полученными как наземными измерениями [2], так и с помощью космического корабля “Дискавери” (STS 53) [6]. При этом расширен диапазон колебательных уровней ν' = 3–9 электронно-возбужденного кислорода ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right),$ с которых происходит излучение ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в полосах Герцберга I.

ПРОФИЛИ КОНЦЕНТРАЦИЙ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЫСОТАХ МЕЗОСФЕРЫ И НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЫ

В настоящей работе используются экспериментальные данные о характерных концентрациях [O] на основании характеристик свечения атомарного кислорода О для различных месяцев года в условиях низкой (F_10.7 = 75, 1976 и 1986 гг.) и высокой (F_10.7 = 203, 1980 и 1981 гг.) солнечной активности на средних широтах (55.7° с.ш.; 36.8° в.д., по данным, основанным на измерениях звенигородской обсерватории Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН). Регулярные данные по свечению атомарного кислорода О были получены из полуэмпирической модели, интегрирующей несколько типов различных среднеширотных измерений, регрессионных соотношений и теоретических расчетов на протяжении нескольких десятков лет сотрудниками ИФА [1]. В соответствии с основными сезонными закономерностями вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм высота и значение максимума концентрации атомарного кислорода значительно изменяются как в зависимости от месяца наблюдений, так и от солнечной активности [1, 8]. Увеличение солнечной активности приводит к росту значений максимума концентрации О и к уменьшению его высоты [9]. Кроме того, вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм и высоты максимума концентраций атомарного кислорода наблюдаются как для зависимости от солнечной активности, так и в зависимости от сезона [10, 11].

В результате изменения профилей концентраций атомарного кислорода неизбежно изменяются профили скоростей образования электронно-возбужденного молекулярного кислорода ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в атмосфере Земли в результате процесса тройных столкновений (1) и интенсивности свечения молекулярного кислорода ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в различных полосах. Поэтому интенсивности свечения ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в полосах Герцберга I будут зависеть как от времени года, так и от солнечной активности.

В работе [1] также были представлены результаты анализа [12, 13] отклика среднемесячных значений температуры средней атмосферы на солнечную активность на основе многолетних данных, полученных с помощью ракет и спектрофотометрии ряда эмиссий ее собственного излучения в течение нескольких циклов 11-летней солнечной активности. На основе этих данных, используя разности температур для различных высот профилей, соответствующих годам высокой и низкой солнечной активности, в линейном приближении можно найти скорость приращения температуры под воздействием солнечной активности:

где δТ_F(Z) – изменение температуры на высоте Z при изменении ΔF_10.7= 100 sfu (solar flux unit), единица измерения потока радиоизлучения на длине волны 10.7 см составляет 1 sfu = 10^–22 Bт · м^–2 · Гц^–1. После определения величин δТ_F(Z) для отдельных уровней высот были построены сезонные вариации температур [1]. Высотные профили скоростей изменения температур средней атмосферы на различных высотах от солнечной активности свидетельствуют об их выраженной высотной нелинейности. Существенное сезонное различие влияния солнечной активности в области мезопаузы, очевидно, обусловлено различием высотных распределений температуры в зависимости от времени года [1].

На рис. 1 представлены результаты исследований [1] на основе эмпирической модели отклика температуры на солнечную активность от высоты и времени года, цифрами указаны месяцы: 1 – январь, 4 – апрель, 7 – июль, 10 – октябрь. По оси Х: δТ_F(Z), K(100 sfu)^–1 – значения отклика температуры атмосферы на солнечную активность при F_10.7 = 100 sfu; по оси Y: Z – значения высоты в км. Таким образом, высотные распределения отклика температуры на солнечную активность на высотах 30–100 км указывают, что значительные сезонные вариации температуры наблюдаются на высотах ≈80–95 км, а минимальные – на высотах ≈55–70 км. Это наглядно видно из рис. 1.

В настоящей работе рассмотрены процессы возбуждения электронно-возбужденного молекулярного кислорода ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ в атмосфере Земли на высотах свечения ночного неба в полосах Герцберга I с учетом вариации температуры, представленной на рис. 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА В ПОЛОСАХ ГЕРЦБЕРГА I В СПЕКТРЕ СВЕЧЕНИЯ НОЧНОГО НЕБА ЗЕМЛИ

На рис. 2 схематично представлены несколько спонтанных излучательных переходов с различных колебательных уровней электронно-возбужденного состояния ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$ на различные колебательные уровни основного состояния ${{{\text{X}}}^{3}}\Sigma _{g}^{ - },$ при которых происходит излучение ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в полосах Герцберга I. Все приведенные состояния находятся ниже энергии диссоциации молекулы О₂ ~ ~ 41 300 см^–1 (8065 см^–1 = 1 эВ). Длину волны λ полос Герцберга I можно рассчитать по формуле:

где Е_A(ν') (см^–1) – энергия колебательного уровня ν' состояния ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + },$ Е_Х(ν") (см^–1) – энергия колебательного уровня ν" состояния ${{{\text{X}}}^{3}}\Sigma _{g}^{ - }.$

Поскольку переходы между рассмотренными нами состояниями дипольно-запрещенные, то характерные излучательные времена состояний ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$ порядка 0.1 с, согласно [14]. Поэтому при расчетах концентраций электронно-возбужденного кислорода необходимо учесть гашение молекулы ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ не только при излучательных переходах (2), но и при столкновениях с основными атмосферными составляющими N₂ и О₂ на данном диапазоне высот [7, 15]:

Так как концентрации N₂ на высотах 90–100 км превышают 10¹³ см^–3, а константы гашения состояния ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$ больше ~10^–12 см³ с^–1 [16, 17], то столкновительные времена жизни рассматриваемых колебательных уровней данных состояний либо сравнимы, либо намного меньше излучательных на высотах ночного свечения ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в полосах Герцберга I. Это означает, что кинетику состояний Герцберга на рассматриваемом диапазоне высот атмосферы необходимо рассматривать с учетом столкновительных процессов.

Проведены расчеты концентрации возбужденного кислорода ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ на высотах верхней атмосферы Земли для колебательных уровней ν' = = 3–9 данного состояния для октября месяца, 1976 и 1986 гг. (низкая солнечная активность, F_10.7 = 75) [7]. Расчет концентрации электронно-возбужденного кислорода ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ производился согласно формуле:

где α_A – квантовый выход состояния ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$ при тройных столкновениях (1), а $q_{{\nu {\kern 1pt} '}}^{A}$ – квантовые выходы колебательных уровней ν' этого состояния, k₁ – константа скорости реакции рекомбинации при тройных столкновениях (1), k_5а, k_5б – константы скоростей реакций (5а), (5б), ${\text{A}}_{{\nu {\kern 1pt} '}}^{A}$ – сумма коэффициентов Эйнштейна для всех спонтанных излучательных переходов с колебательных уровней ν' состояния ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }.$

Константа скорости реакции рекомбинации k₁(см⁶ c^–1) применялась как рассчитанная величина в зависимости от температуры атмосферы на рассмотренном интервале высот согласно [1]; константы гашения электронно-возбужденного кислорода при столкновениях молекулярного кислорода ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ с атмосферными составляющими N₂ и О₂, k_5а(см³ · c^–1), k_5б(см³ · c^–1), учитывались согласно [16, 17]; квантовый выход α_A – согласно [18], коэффициенты Эйнштейна для всех спонтанных переходов – согласно [14]. В работе [7] квантовые выходы $q_{{\nu {\kern 1pt} '}}^{A}$ были оценены на основании сравнения рассчитанных интенсивностей ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{*}$ в полосах Герцберга I и измеренных с космического шаттла “Дискавери” (STS-53) [6], поэтому в настоящих расчетах мы используем $q_{{\nu {\kern 1pt} '}}^{A}$ согласно [7].

Согласно формуле (6) проведен расчет профилей высотного распределения концентраций электронно-возбужденного молекулярного кислорода ${{{\text{O}}}_{2}}\left( {{{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }} \right)$ в верхней атмосфере Земли. Значения объемных интенсивностей излучения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосах, соответствующих переходам (2), были рассчитаны по формуле:

где $\left[ {{\text{O}}_{2}^{*}} \right]$ (см^–3) – рассчитанная концентрация электронно-возбужденного кислорода ${\text{O}}_{2}^{*}$ в зависимости от высоты h [7], А_ν'ν" (c^–1) – коэффициент Эйнштейна [14], соответствующий спонтанному излучательному переходу с колебательного уровня ν' вышележащего состояния на колебательный уровень ν" нижележащего состояния в (2) (см. рис. 2).

На рис. 3а и 3б представлены высотные распределения атомарного кислорода О для различных месяцев года для условий высокой (F_10.7 = = 203, 1980 и 1981 гг.) и низкой (F_10.7 = 75, 1976 и 1986 гг.) солнечной активности на средних широтах (55.7° N; 36.8° E), полученные по данным Звенигородской обсерватории Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН). Рассчитанные высотные распределения объемных интенсивностей излучения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосе Герцберга I, связанной со спонтанным переходом ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$(ν' = 6) → → ${{{\text{X}}}^{3}}\Sigma _{g}^{ - }$(ν" = 3), для условий высокой (F_10.7 = 203, 1980 и 1981 гг.) и низкой (F_10.7 = 75, 1976 и 1986 гг.) солнечной активности на средних широтах Земли представлены на рис. 3в и 3г. Рассчитанные значения интенсивности излучения ${\text{O}}_{2}^{*}$ I(см^–2 · с^–1) (гистограммы) во всех рассмотренных полосах Герцберга I, обусловленных излучательными переходами (2), для условий высокой (F_10.7 = 203, 1980 и 1981 гг.) и низкой (F_10.7 = 75, 1976 и 1986 гг.) солнечной активности представлены на рис. 3 (д, е). Цифрами на рис. 3 представлены месяцы года: 1 – январь, 4 – апрель, 7 – июль, 10 – октябрь. При расчетах использовались данные по концентрациям атомарного кислорода и температурам для средних месяцев каждого сезона.

Как видно из сравнения рис. 3а и 3б с 3в и 3г, вариации значений объемной интенсивности свечения ${\text{O}}_{2}^{*}$ для высокой и низкой солнечной активности коррелируют с вариациями в концентрациях атомарного кислорода. Результирующие гистограммы по каждому месяцу (рис. 3д и 3е) демонстрируют, что для низкой солнечной активности (F_10.7 = 75, 1976 и 1986 гг.) максимальное значение объемной интенсивности свечения ${\text{O}}_{2}^{*}$ наблюдается для июля, в то время как для высокой (F_10.7 = 203, 1980 и 1981 гг.) – для октября, что видно из рис. 3а, 3б, 3д, 3е.

На рис. 4а представлен фрагмент усредненного спектра свечения ночного неба в диапазоне 250–370 нм, измеренного спектрографом с космического шаттла “Дискавери” (STS-53) в интервале от 115 до 900 нм на протяжении его 12-дневной миссии в январе 1995 г. (условия низкой солнечной активности) [6]. По осям Y отложены значения интенсивностей в рэлеях/ангстрем (R/Å) (1 R = 10⁶ фотон/см² · с), по осям X отложены длины волн в ангстремах (λ(Å)). Каждая двойка цифр над пиками свечения обозначает колебательные уровни (ν'–ν") состояний ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$ и ${{{\text{X}}}^{3}}\Sigma _{g}^{ - }$ при излучательных переходах (2).

Рассчитанные значения интенсивности излучения ${\text{O}}_{2}^{*}$ I(см^–2 · с^–1) (гистограммы) в различных полосах Герцберга I, обусловленных излучательными переходами (2), выполнены для октября 1976 и 1986 гг. (условия низкой солнечной активности F_10.7 = 75) в этом же диапазоне длин волн. Результаты расчетов приведены на рис. 4б, при этом при пересчете объемной интенсивности излучения i_ν'ν" в интенсивность излучения I_ν'ν" используется приближение оптически тонкого слоя, т.е. пренебрегается поглощением фотонов внутри слоя. При этом в отличие от результатов [7] учтены излучательные переходы с девятого колебательного уровня ν' = 9 состояния ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$ и приведены интенсивности свечения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосах Герцберга I (9-1) и (9-2), расположенные в диапазоне 255–270 нм. Это сравнение позволяет идентифицировать полосы 256 и 267 нм, измеренные с космического шаттла “Дискавери” (STS-53) [6]. Как видно из рис. 4а и 4б, наблюдается хорошее согласие рассчитанных интенсивностей излучения возбужденного кислорода ${\text{O}}_{2}^{*}$(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + },$ ν' = 3–9) со спектром, полученным с космического шаттла, т.е. с экспериментальными данными свечения ночного неба в диапазоне 250–360 нм.

На рис. 4в представлены результаты, полученные в наземных многолетних измерениях спектра излучения ночной верхней атмосферы в диапазоне УФ длин волн 305–365 нм, т.е. полосы Герцберга I [2]. Наблюдения были выполнены в период высокой солнечной активности стандартными советскими спектрографами 1950–1960 гг. СП48, СП49, СП50 [1].

Теоретически рассчитанные значения интенсивностей свечения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосах Герцберга I для периода высокой солнечной активности представлены на рис. 4г. Как видно из сравнения рис. 4в и 4г, рассчитанные интенсивности свечения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосах Герцберга I хорошо повторяют экспериментальные данные в диапазоне 320–365 нм. Резкое уменьшение измеренных интенсивностей свечения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосах [2] для длин волн меньше 320 нм связано, по-видимому, либо с сильным поглощением озоновым слоем, либо аппаратурной функцией использованных спектрографов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью расчетов получены значения интенсивности излучения ${\text{O}}_{2}^{*}$ i_ν'ν" (см^–3 · с^–1) в полосах Герцберга I, обусловленных излучательными переходами с колебательных уровней ν' = 3–9 электронно-возбужденного кислорода О₂(${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + }$) для условий низкой (F_10.7 = 75, 1976 и 1986 гг.) и высокой (F_10.7 = 203, 1958 и 1959 гг.) солнечной активности для средних широт. Проведено сравнение рассчитанных значений интенсивности излучения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосах Герцберга I в условиях низкой солнечной активности с данными, полученными в диапазоне длин волн 250–370 нм спектрографом на борту космического шаттла “Дискавери” (STS-53) [6] в условиях низкой солнечной активности. При этом учтены излучательные переходы с ${{{\text{A}}}^{3}}\Sigma _{u}^{ + },$ ν' = 9, что позволило идентифицировать полосы 256 и 267 нм, измеренные на борту космического шаттла. Проведено сравнение рассчитанных значений интенсивности излучения ${\text{O}}_{2}^{*}$ в полосах Герцберга I в условиях высокой солнечной активности с данными, полученными в диапазоне длин волн 305–365 нм стандартными наземными советскими спектрографами 1950–1960 гг. [2]. Показано, что результаты расчетов хорошо согласуются с данными, полученными как с космического шаттла, так и наземными наблюдениями.