Механизмы образования синглетного и триплетного электронно-возбужденного

молекулярного азота в авроральной ионосфере

Кириллов А.С.

Полярный геофизический институт

г. Апатиты Мурманской области

Полосы молекулярного азота

Полосы

Вегарда-Каплана

N2(A3u+,v) N2(X1g

+,v’) + hVK

Полосы

Лаймана-Бирджа-Хопфилда

N2(a1g,v) N2(X1g+,v’) + hLBH

Триплетные состояния N2

Morrill J.S., Benesch W.M.

Auroral N2 emissions and the effect of collisional processes on N2 triplet state vibrational population.

J. Geophys. Res., 1996, 101, p.261

e + N2(X1g+,v=0)

N2(A3u+,B3g,W3u,B’3u

,C3u,v)

N2(1) N2(2) + h

N2() + M N2(X1) + M,

M = N2, O2, O

Синглетные состояния N2

Eastes R.W., Dentamaro A.V.

Collision-induced transitions between the a1g, a1u

, w1u states of N2: Can they affect auroral N2 Lyman-Birge-Hopfield band emissions?

J. Geophys. Res., 1996, 101, p.26931

e + N2(X1g+,v=0)

N2(a1u,a1g,w1u,v)

N2(1) N2(2) + h

N2() + M N2(X1) + M,

M = N2, O2, O

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 N2-N2, N2-O2, O2-O2. // 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

N2(A3u+,v) + N2

Расчет - сплошная линия для Т=300 К

Dreyer and Perner, 1973, J. Chem. Phys., 58, p.1195 (Т~293 К) - квадраты

0 2 4 6 8 10V ib ra tio n a l lev e ls

1E-016

1E-015

1E-014

1E-013

1E-012

1E-011

N 2 (A 3 ,v ) + N 2

k , cm 3 s-1

N2(A3u+,v) + O2

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

0 2 4 6 8 10V ib ra tio n a l lev e ls

1E-012

1E-011

N 2 (A 3 ,v ) + O 2

k , cm 3 s-1

Заселенность колебательных уровней состояния A3u

+ молекулярного азота

Результаты расчета:

80 км - кресты

150 км - круги

0 2 4 6 8 10V ib ratio n a l lev e ls

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

[N 2 (A 3 ,v )] / [N 2 (A 3 ,v = 0 )]

Электронно-возбужденный N2 в разряде и процессах послесвечения

Guerra V., Sa P.A., Loureiro J.

Role played by the N2(A3u+) metastable in stationary N2 and

N2-O2 discharge. // J. Phys. D, 2001, v.34, p.1745-1755.Sadeghi N., Foissac C., Supiot P.

Kinetics of N2(A3u+) molecules and ionization mechanisms in

the afterglow of a flowing N2 microwave discharge. // J. Phys. D, 2001, v.34, p.1779-1788.

Cartry G., Magne L., Cernogora G.

Experimental study and modelling of a low-pressure N2-O2 time afterglow. // J. Phys. D, 1999, v.32, p.1894-1907.

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.125-152.

Рассматриваемые процессы переноса электронного возбуждения

при гашении a1g состояния

Межмолекулярные процессы

N2(a1g,v) + N2(X1g+,v=0) N2(X1g

+,v) + N2(a1u,v)

N2(a1g,v) + N2(X1g+,v=0) N2(X1g

+,v) + N2(a1g,v)

N2(a1g,v) + N2(X1g+,v=0) N2(X1g

+,v) + N2(w1u,v)

Внутримолекулярные процессы

N2(a1g,v) + N2(X1g+,v=0) N2(a1u

,v) + N2(X1g+,v=0)

N2(a1g,v) + N2(X1g+,v=0) N2(w1u,v) + N2(X1g

+,v=0)

N2(a1g,v=0-14) + N2

Рассчитанные коэффициенты - сплошная линия

Вклад состояний:

a'1u - круги

a1g - квадраты

w1u - треугольники

Экспериментальные данные:

van Veen et al., 1982 - кресты

Gudipati et al., 2002 - звезды

0 4 8 12 162 6 10 14V ibrational leve ls

k, cm 3s -1

10 -11

10 -12

10 -13

10 -10

10 -14

Рис.7 из (Cartwright, 1978)Коэффициенты гашения N2(a1u

,v)

Рассматриваемые процессы переноса электронного возбуждения

при гашении a1u состояния

Межмолекулярные процессы

N2(a1u,v) + N2(X1g

+,v=0) N2(X1g+,v) + N2(a1u

,v)

N2(a1u,v) + N2(X1g

+,v=0) N2(X1g+,v) + N2(a1g,v)

N2(a1u,v) + N2(X1g

+,v=0) N2(X1g+,v) + N2(w1u,v)

Внутримолекулярные процессы

N2(a1u,v) + N2(X1g

+,v=0) N2(a1g,v) + N2(X1g+,v=0)

N2(a1u,v=0-17) + N2

Рассчитанные коэффициенты - сплошная линия

Вклад состояний:

a'1u - круги

a1g - квадраты

w1u - треугольники

Аппроксимация из (Cartwright, 1978) - пунктирная линия

Экспериментальные данные:

Dreyer and Perner, 1972 - крест

Khachatrian et al., 2003 - звезда0 4 8 12 16 202 6 10 14 18

V ibrational levels

k, cm 3s -1

10 -11

10 -10

10 -12

10 -13

10 -14

Связь синглетного a1u состояния

с триплетными состояниями N2

Ottinger Ch., Shen G.

Molecular beam study of the gateway-coupling N2(C3u/ a1u)

and chemical quenching of the metastable N2(a) state.

J. Chem. Phys., 1998, v.108, p.1997-2004.

Umemoto H., Oku M., Iwai T.

Collisional intersystem crossing of N2(a1u) to produce

triplet-state molecular nitrogen.

J. Chem. Phys., 2003, v.118, p.10006-10011.

Рассматриваемые процессы переноса электронного возбуждения

при гашении w1u состояния

Межмолекулярные процессы

N2(w1u,v) + N2(X1g+,v=0) N2(X1g

+,v) + N2(a1u,v)

N2(w1u,v) + N2(X1g+,v=0) N2(X1g

+,v) + N2(a1g,v)

N2(w1u,v) + N2(X1g+,v=0) N2(X1g

+,v) + N2(w1u,v)

Внутримолекулярные процессы

N2(w1u,v) + N2(X1g+,v=0) N2(a1g,v) + N2(X1g

+,v=0)

N2(w1u,v=0-13) + N2

Рассчитанные коэффициенты - сплошная линия

Вклад состояний:

a'1u - круги

a1g - квадраты

w1u - треугольники

0 4 8 12 162 6 10 14V ibrational levels

k, cm 3s -1

10 -11

10 -10

10 -12

10 -13

Рис.5 из (Eastes and Dentamaro, 1996) Относ. колебательная заселенность N2(a1g,v)

Результаты расчетов:

Eastes and Dentamaro (1996) – кресты

Cartwright (1978) – квадраты

Dashkevich et al. (1993) – треугольники

Экспериментальные данные:

Eastes and Sharp (1987) – ромбы

Рассчитанная относительная колебательная заселенность N2(a1g,v)

48 км - звезды

64 км - кресты

80 км - треугольники

100 км - квадраты

130 км - круги

0 2 4 61 3 5V ibrational levels

1

10

[N 2(a,v)]/[N 2(a,v=4)]

Рассчитанные относительные интенсивности полос Лаймана-Бирджа-Хопфилда

2-0 - 138.4 нм

4-0 - 132.5 нм

5-2 - 138.2 нм

6-0 - 127.3 нм

4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 06 0 1 0 0 1 4 0 1 8 0Altitude (km )

0.1

1.0

10.0

I(2-0)/I(4-0)

I(5-2)/I(4-0)

I(6-0)/I(4-0)

Выводы

1. На основании квантово-химических приближений рассчитаны коэффициенты гашения синглетных состояний молекулы N2 . Сравнение с экспериментальными данными показывает хорошее согласие для нижних колебательных уровней a'1u

и a1g состояний. Расчеты указывают на доминирующую роль внутримолекулярных процессов в гашении синглетных состояний.

2. Рассчитанные коэффициенты были использованы при расчете относительной колебательной заселенности N2(a1g,v) для условий возбуждения электронным ударом. Оценка колебательного распределения показывает важную роль столкновительных процессов в электронной кинетике синглетного молекулярного азота.