Механизмы образования синглетного и триплетного электронно-возбужденного молекулярного азота в авроральной ионосфере Кириллов А.С. Полярный геофизический. - презентация

1 Механизмы образования синглетного и триплетного электронно-возбужденного молекулярного азота в авроральной ионосфере Кириллов А.С. Полярный геофизический институт г. Апатиты Мурманской области

2 Полосы молекулярного азота Полосы Вегарда-Каплана N 2 (A 3 u +,v) N 2 (X 1 g +,v) + h VK Полосы Лаймана-Бирджа-Хопфилда N 2 (a 1 g,v) N 2 (X 1 g +,v) + h LBH

3 Триплетные состояния N 2 Morrill J.S., Benesch W.M. Auroral N 2 emissions and the effect of collisional processes on N 2 triplet state vibrational population. J. Geophys. Res., 1996, 101, p.261 e + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (A 3 u +,B 3 g,W 3 u,B 3 u,C 3 u,v) N 2 ( 1 ) N 2 ( 2 ) + h N 2 ( ) + M N 2 (X 1 ) + M, M = N 2, O 2, O

4 Синглетные состояния N 2 Eastes R.W., Dentamaro A.V. Collision-induced transitions between the a 1 g, a 1 u, w 1 u states of N 2 : Can they affect auroral N 2 Lyman- Birge-Hopfield band emissions? J. Geophys. Res., 1996, 101, p e + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (a 1 u,a 1 g,w 1 u,v) N 2 ( 1 ) N 2 ( 2 ) + h N 2 ( ) + M N 2 (X 1 ) + M, M = N 2, O 2, O

5 Kirillov A.S. Application of Landau-Zener and Rosen-Zener approximations to calculate rates of electron energy transfer processes. // Adv. Space Res., 2004, v.33, p.993 Kirillov A.S. Calculation of rate coefficients of electron energy transfer processes for molecular nitrogen and molecular oxygen. // Adv. Space Res., 2004, v.33, p.998 Kirillov A.S. The study of intermolecular energy transfers in electronic energy quenching for molecular collisions N 2 -N 2, N 2 -O 2, O 2 -O 2. // Ann. Geophys., 2008, v.26, p.1149 Kirillov A.S. Electronically excited molecular nitrogen and molecular oxygen in the high-latitude upper atmosphere. // Ann. Geophys., 2008, v.26, p.1159

6 N 2 (A 3 u +,v) + N 2 Расчет - сплошная линия для Т=300 К Dreyer and Perner, 1973, J. Chem. Phys., 58, p.1195 (Т~293 К) - квадраты

7 N 2 (A 3 u +,v) + O 2 Расчет - сплошная линия для Т=300 К Dreyer et al., 1974, J. Chem. Phys., 61, p.3164 (Т~293 К) - кресты Piper et al., 1981, J. Chem. Phys., 74, p.2888 (Т~293 К) - круги De Benedictis and Dilecce, 1997, J. Chem. Phys., 107, p.6219 (T=340 K) - квадраты

8 Заселенность колебательных уровней состояния A 3 u + молекулярного азота Результаты расчета: 80 км - кресты 150 км - круги

9 Электронно-возбужденный N 2 в разряде и процессах послесвечения Guerra V., Sa P.A., Loureiro J. Role played by the N 2 (A 3 u + ) metastable in stationary N 2 and N 2 -O 2 discharge. // J. Phys. D, 2001, v.34, p Sadeghi N., Foissac C., Supiot P. Kinetics of N 2 (A 3 u + ) molecules and ionization mechanisms in the afterglow of a flowing N 2 microwave discharge. // J. Phys. D, 2001, v.34, p Cartry G., Magne L., Cernogora G. Experimental study and modelling of a low-pressure N 2 -O 2 time afterglow. // J. Phys. D, 1999, v.32, p Guerra V., Sa P.A., Loureiro J. Kinetic modeling of low-pressure nitrogen discharges and post- discharges. // Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2004, v.28, p

10 Рассматриваемые процессы переноса электронного возбуждения при гашении a 1 g состояния Межмолекулярные процессы N 2 (a 1 g,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (a 1 u,v ) N 2 (a 1 g,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (a 1 g,v ) N 2 (a 1 g,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (w 1 u,v ) Внутримолекулярные процессы N 2 (a 1 g,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (a 1 u,v ) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (a 1 g,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (w 1 u,v ) + N 2 (X 1 g +,v=0)

11 N 2 (a 1 g,v=0-14) + N 2 Рассчитанные коэффициенты - сплошная линия Вклад состояний: a' 1 u - круги a 1 g - квадраты w 1 u - треугольники Экспериментальные данные: van Veen et al., кресты Gudipati et al., звезды

12 Рис.7 из (Cartwright, 1978) Коэффициенты гашения N 2 (a 1 u,v)

13 Рассматриваемые процессы переноса электронного возбуждения при гашении a 1 u состояния Межмолекулярные процессы N 2 (a 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (a 1 u,v ) N 2 (a 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (a 1 g,v ) N 2 (a 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (w 1 u,v ) Внутримолекулярные процессы N 2 (a 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (a 1 g,v ) + N 2 (X 1 g +,v=0)

14 N 2 (a 1 u,v=0-17) + N 2 Рассчитанные коэффициенты - сплошная линия Вклад состояний: a' 1 u - круги a 1 g - квадраты w 1 u - треугольники Аппроксимация из (Cartwright, 1978) - пунктирная линия Экспериментальные данные: Dreyer and Perner, крест Khachatrian et al., звезда

15 Связь синглетного a 1 u состояния с триплетными состояниями N 2 Ottinger Ch., Shen G. Molecular beam study of the gateway-coupling N 2 (C 3 u / a 1 u ) and chemical quenching of the metastable N 2 (a ) state. J. Chem. Phys., 1998, v.108, p Umemoto H., Oku M., Iwai T. Collisional intersystem crossing of N 2 (a 1 u ) to produce triplet-state molecular nitrogen. J. Chem. Phys., 2003, v.118, p

16 Рассматриваемые процессы переноса электронного возбуждения при гашении w 1 u состояния Межмолекулярные процессы N 2 (w 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (a 1 u,v ) N 2 (w 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (a 1 g,v ) N 2 (w 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (X 1 g +,v ) + N 2 (w 1 u,v ) Внутримолекулярные процессы N 2 (w 1 u,v) + N 2 (X 1 g +,v=0) N 2 (a 1 g,v ) + N 2 (X 1 g +,v=0)

17 N 2 (w 1 u,v=0-13) + N 2 Рассчитанные коэффициенты - сплошная линия Вклад состояний: a' 1 u - круги a 1 g - квадраты w 1 u - треугольники

18 Рис.5 из (Eastes and Dentamaro, 1996) Относ. колебательная заселенность N 2 (a 1 g,v) Результаты расчетов: Eastes and Dentamaro (1996) – кресты Cartwright (1978) – квадраты Dashkevich et al. (1993) – треугольники Экспериментальные данные: Eastes and Sharp (1987) – ромбы

19 Рассчитанная относительная колебательная заселенность N 2 (a 1 g,v) 48 км - звезды 64 км - кресты 80 км - треугольники 100 км - квадраты 130 км - круги

20 Рассчитанные относительные интенсивности полос Лаймана-Бирджа-Хопфилда нм нм нм нм

21 Выводы 1. На основании квантово-химических приближений рассчитаны коэффициенты гашения синглетных состояний молекулы N 2. Сравнение с экспериментальными данными показывает хорошее согласие для нижних колебательных уровней a' 1 u и a 1 g состояний. Расчеты указывают на доминирующую роль внутримолекулярных процессов в гашении синглетных состояний. 2. Рассчитанные коэффициенты были использованы при расчете относительной колебательной заселенности N 2 (a 1 g,v) для условий возбуждения электронным ударом. Оценка колебательного распределения показывает важную роль столкновительных процессов в электронной кинетике синглетного молекулярного азота.