Оценка содержания окиси азота в полярных сияниях по данным наземных фотометрических наблюдений
Автор: Дашкевич Ж.В., Иванов В.Е.
Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika
Статья в выпуске: 1 т.5, 2019 года.
Бесплатный доступ
Численные оценки содержания окиси азота в полярных сияниях сделаны на основе результатов фотометрических наблюдений интенсивностей эмиссий 427.8, 557.7 и 630.0 нм. Наблюдения проводились в полуночные часы в обсерваториях Полярного геофизического института. Оценки сделаны методом численного моделирования в рамках нестационарной физико-химической модели авроральной ионосферы [Дашкевич и др., 2017]. Показано, что концентрация окиси азота [NO] в максимуме ее высотного профиля лежит в интервале (1÷3.3)∙108 см-3. В результате оценки не обнаружена прямая корреляция величин в максимуме высотного профиля [NO]max с интенсивностями свечения в эмиссии 427.8 нм.
Окись азота, концентрации ионосферных компонент, полярные сияния, интенсивность эмиссии, моделирование, электронные высыпания
Короткий адрес: https://sciup.org/142220323
IDR: 142220323 | DOI: 10.12737/szf-51201908
Текст научной статьи Оценка содержания окиси азота в полярных сияниях по данным наземных фотометрических наблюдений
тенсивностей излучения в эмиссиях 1NG N + ( B 2 ^ + ) 391.4 нм, OI(1S) 557.7 и OI(1D) 630.0 нм. В основе данного метода лежит тот факт, что NO является гасителем иона O + : O + + NO ^ NO ++ O 2 , диссоциативная рекомбинация которого O + + e ^ O ( 1 S ) + O ( 1 D ) является одним из основных источников образования атомарного кислорода в 1S состоянии, которое, в свою очередь, служит источником эмиссии 557.7 нм. В данной работе представлены результаты оценок [NO], полученные на основе измерений в полярных сияниях интенсивностей излучения в эмиссиях 1NG N + ( B X ) 427.8 нм, OI( 1 S) 557.7 нм и OI( 1 D) 630.0 нм. Оценки сделаны путем моделирования процессов перераспределения по внутренним степеням свободы энергии возбужденных атмосферных газов, выделившейся в ионосфере вследствие высыпания авроральных электронов. На основе измеренных интенсивностей излучения эмиссий 427.8, 557.7 и 630.0 нм восстанавливались энергетические спектры высыпавшихся электронов и [NO], которые определяют измеренные в полярных сияниях интенсивности эмиссий.
Рис. 1 . Высотные зависимости концентрации окиси азота: звездочки — данные из работы [Sharp, 1978], полученные из отношения [ NO + J/^ O + J , штриховая линия — данные из работы [Sharp, 1978], полученные по интенсивности эмиссии континуума NO 2 , сплошные линии — данные из работы [Swider, Narcisi, 1977]
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Для оценки [NO] в работе были использованы результаты фотометрических наблюдений интенсивностей эмиссий 427.8, 557.7 и 630.0 нм в полярных сияниях. Наблюдения проводились в обсерваториях Полярного геофизического института в 1998– 2001 гг. Данные по интенсивности эмиссий в зените получены в полуночные часы при условии наличия свечения полярного сияния и отсутствия облачности. Экспериментальный массив данных включал в себя 1335 измерений в восьми ночных сериях наблюдений в обс. Ловозеро (Ф =64.17° N) и 1200 измерений в восьми ночных сериях в обс. Туманный (Ф =65.24° N). Детали обработки экспериментальных данных описаны в работе [Дашкевич и др., 2006] , здесь отметим только, что диапазон интенсивности эмиссии 427.8 нм лежит в интервале 0.1–2 кРл. Усредненные по двум станциям результаты измерений, сгруппированные по значениям интенсивностей эмиссии 427.8 нм, приведены в первых трех колонках табл. 1. Диапазон изменения интенсивности эмиссии 427.8 нм разбит на интервалы по 100 Рл.
Расчет [NO] и интенсивностей свечения в эмиссиях 427.8, 557.7 и 630.0 нм в области электронных высыпаний проводился методом численного моделирования в рамках нестационарной физико-химической модели авроральной ионосферы, описывающей процессы взаимодействия основных возбужденных и ионизированных компонент атмосферы во время электронных высыпаний [Дашкевич и др., 2017]. Модель составлена на основе имеющихся в научной литературе данных и содержит 56 физико-химических реакции, включая 23 реакции с участием нечетного азота NO, N(4S), N(2D), N(2P), N+ и NO+. Реакции, входящие в данную модель и описывающие пере- распределение выделившейся в ионосфере энергии авроральных электронов, представлены в табл. 2. Отличительной особенностью модели является метод расчета высотных профилей скоростей возбуждения атмосферных газов, в основу которого положен функционал, позволяющий аналитически связать высотные профили возбужденных компонент атмосферы с энергетическим спектром высыпающихся электронов [Sergienko, Ivanov, 1993]. Численная модель позволяет рассчитать высотные профили концентрации ионосферных компонент N2+, O2+, O+(4S), O+(2D), O+(2P), O(1D), O(1S), N(4S), N(2D), N(2P), NO, NO+, N+, N2(A3Su+), Ъ^ПД ^(WX), N2(B’3Su-), N2(C3Пu) и электронов в авроральной ионосфере; временную динамику концентраций ионосферных компонент; высотные профили интенсивности основных авроральных эмиссий, в том числе 427.8, 557.7 и 630.0 нм. Поскольку в модели не учитываются эффекты переноса, она применима к Е- и нижней F-областям ионосферы. Входными параметрами модели являются модель нейтральной атмосферы и параметры потока высыпающихся электронов.
В этой работе были использованы модель нейтральной атмосферы MSIS-90 и энергетический спектр высыпающихся электронов в виде максвелловского распределения
N ( E ) = N о E exp ( - E / E 0 ) / E 2 , (1)
где N 0 и Е 0 — поток высыпающихся электронов на верхней границе термосферы (см–2с–1) и характеристическая энергия (эВ) соответственно.
Процедура восстановления высотных профилей [NO], детально описанная в [Дашкевич, Иванов, 2017] , включала в себя два этапа. На первом этапе определялись параметры заданного в модели потока высыпающихся электронов (1), а именно характеристическая энергия Е 0 и величина потока частиц N 0, которые обеспечивают наблюдаемые в эксперименте интенсивности излучения в эмиссиях 427.8 и 630.0 нм. Значения характеристической энергии Е 0 оценивались по полученным в эксперименте отношениям интенсивностей I 630.0 / I 427.8 . Как следует из работ [Дашкевич и др., 2006; Дашкевич, Иванов, 2017; Eather, Mende, 1972; Rees, Luckey, 1974], I 630.0 / I 427.8 практически не зависит от N 0 и определяется Е 0 . Более того, в работе [Дашкевич, Иванов, 2017] было показано, что I 630.0 / I 427.8 не зависит и от [NO]. На рис. 2 приведена используемая в данной работе зависимость I 630.0/ I 427.8 от Е 0, рассчитанная согласно физико-химической модели ионосферы [Дашкевич и др., 2017] . Величины потоков N 0 определялись из условия
I«7.8 = Nо Л П427’8 (E, h)E exp (-E/Eо)/E2 dEdh, где I4э2к7с.8 — экспериментально измеренная интенсивность эмиссии 427.8 нм (см-2с-1), П42°р8(E, h)dEdh — объемная светимость эмиссии 427.8 нм, созданная на высоте h в слое толщиной dh высыпающимися электронами с энергиями в интервале от E до E+dE, E0 — характеристическая энергия (эВ).
Таблица 1
Результаты моделирования
|
I 427.8 , Рл эксп. |
I 557.7 , Рл эксп. |
I 630.0 , Рл эксп. |
Е 0 , эВ расчет |
N 0 , 10 9 см –2 с –1 расчет |
[NO] max , 10 8 см –3 расчет |
I 557.7 , Рл расчет |
|
150 |
782 |
273 |
1039 |
0.5 |
1.6 |
780 |
|
250 |
1330 |
365 |
1116 |
0.8 |
1.6 |
1330 |
|
350 |
1845 |
403 |
1291 |
0.9 |
1.8 |
1845 |
|
450 |
2437 |
475 |
1370 |
1.1 |
1.7 |
2432 |
|
550 |
2945 |
490 |
1541 |
1.2 |
2.3 |
2941 |
|
650 |
3551 |
544 |
1607 |
1.3 |
2.2 |
3543 |
|
750 |
4075 |
650 |
1559 |
1.5 |
2.2 |
4072 |
|
850 |
4930 |
609 |
1780 |
1.5 |
1.5 |
4927 |
|
950 |
5567 |
578 |
1987 |
1.5 |
1.4 |
5554 |
|
1100 |
6683 |
737 |
1858 |
1.9 |
1.0 |
6679 |
|
1350 |
7755 |
744 |
2102 |
2.0 |
1.7 |
7754 |
|
1700 |
9243 |
745 |
2465 |
2.1 |
3.3 |
9223 |
Таблица 2
Реакции взаимодействия атмосферных ионов и возбужденных компонент в условиях полярных сияний
|
N |
O + (2P) |
N(4S) |
||
|
N + + O 2 ^ N 2 + O + N + + O ^ N 2 + O + (4S) N + + O ^ NO + + N(2D) N + + NO ^ N2 + NO + N + + e ^ N(4S) + N(2D) |
O + (2P) + N2 ^ O + (4S) + n2 O + (2P) + N2 ^ N + + O O + (2P) + O ^ O + (4S) + O O + (2P) + O2 ^ O + + O O + (2P) ^ O + (2D) + hv O + (2P) ^ O + (4S) + hv O + (2P) + e ^ O + (2D) + e O + (2P) + e ^ O + (4S) + e |
N(4S) + O2 ^ NO + O N(4S) + NO ^ N2 + O |
||
|
N(2D) |
||||
|
N(2D) + O2 ^ NO + O(3P,1D) N(2D) + O ^ N(4S) + O(3P, 1 D) N(2D) + NO ^ N2 + O N(2D) + NO ^ N(4S) + NO N(2D) + e ^ N(4S) + e N(2D) ^ N(4S) + hv |
||||
|
o + |
||||
|
O + + e ^ O( 1 S) + O( 1 D) O + + N(4S) ^ NO + + O( 1 S) O + + NO ^ NO ++ O2 O + + N(2D) ^ NO ++ O |
||||
|
O(1D) |
||||
|
O( 1 D) + N2 ^ O + N2 O( 1 D) + O2 ^ O + O2 O( 1 D) + O ^ O + O O( 1 D) ^ O + hv O( 1 D) + e ^ O + e |
N(2P) |
|||
|
O + (4S) |
N(2P) + O2 ^ NO + O( 1 S, 1 D,3P) N(2P) + O ^ N(2D) + O N(2P) ^ N(2D) + hv N(2P) ^ N(4S) + hv N(2P) + NO ^ N2 + O |
|||
|
O + (4S) + N2 ^ NO + + N(4 S ) O + (4S) + O2 ^ O + + O O + (4S) + NO ^ NO ++ O |
||||
|
O + (2D) |
O(1S) |
|||
|
O + (2D) + N2 ^ N + + O O + (2D) + N2 ^ NO + + N(4S) O + (2D) + O2 ^ O + + O O + (2D) + O2 ^ O + (4S) + O2 O + (2D) + O ^ O + (4S) + O O + (2D) + e ^ O + (4S) + e O + (2D) ^ O + (4S) + hv |
O( 1 S) + O ^ O + O O( 1 S) ^ O( 1 D) + hv O( 1 S) ^ O + hv O( 1 S) + O2 ^ O + O2 O( 1 S) + NO ^ O + NO |
N + |
||
|
N + + O2 ^ O2 + + N(4S,2D) N ++ O2 ^ NO ++ O(1D,1S) N + + O2 ^ O + (4S) + NO N ++ O ^ O + (4S) + N(4S) |
||||
|
NO + |
N 2 (aX ) |
|||
|
NO + + e ^ O + N(4S,2D) |
N2(A3E + ) + O ^ N2 + O( 1 S) |
Примечание. Константы скоростей реакций представлены работе [Дашкевич и др., 2017] .
Рис. 2 . Зависимость отношения I 630.0 / I 427.8 от характеристической энергии высыпающихся электронов Е 0
Рис. 3 . Смоделированные высотные профили [NO]. Каждая кривая соответствует одной паре отношений I 630.0 / I 427.8 и I 557.7 / I 427.8
Определенные таким образом Е 0 и N 0 обеспечивают наблюдаемые в эксперименте интенсивности I 427.8 и I 630.0 для высыпающихся электронов с заданным энергетическим спектром в виде (1).
Второй этап включал в себя расчет высотных профилей интенсивности излучения эмиссии 557.7 нм и соответствующих данным профилям высотных распределений [NO]. Абсолютные значения [NO] для каждого конкретного события определялись из условия получения наилучшего согласия рассчитанных значений I557.7 с измеренными в эксперименте. Смоделированные таким образом высотные профили [NO] представлены на рис. 3. Рассчитанные значения [NO]max в максимуме высотного профиля приведены в табл. 1. Здесь же для сравнения даны смоделированные значения I557.7. Видно, что оценки [NO] в области полярных сияний, полученные на основе фотометрических измерений I427.8, I557.7 и I630.0, лежат в интервале (1÷3.3)∙108 см–3 для диапазона I427.8 от 0.1 до 2 кРл. Полученные результаты находятся в удовлетворительном согласии с результатами оценок [NO], полученными на основе анализа ионного состава в полярных сияниях, измеренного в ракетных экспериментах [Sharp, 1978; Swider, Narcisi, 1977].
Следует отметить также, что полученные в данной работе результаты свидетельствуют об отсутствии прямой корреляции между I 427.8 и [NO] max . На данный факт ранее обращалось внимание и в работе [Gerard, Barth, 1977]. Причину отсутствия такой корреляции можно объяснить большим временем жизни NO, которая может накапливаться в ионосфере. Поэтому [NO] в каждом конкретном полярном сиянии может определяться не только продолжительностью и интенсивностью высыпающихся электронных потоков, но и продолжительностью и интенсивностью авроральной активности, предшествующей исследуемому событию.
ВЫВОДЫ
В работе представлены численные оценки содержания NO в полярных сияниях, сделанные на основе наземных фотометрических измерений интенсивностей свечения в эмиссиях 427.8, 557.7 и 630.0 нм в полуночном секторе аврорального овала. Показано, что [NO] в максимуме ее высотного профиля [NO] max лежит в интервале (1÷3.3)∙108 см–3. Не обнаружена прямая корреляция величины [NO] max с интенсивностями свечения в эмиссии 427.8 нм.
Список литературы Оценка содержания окиси азота в полярных сияниях по данным наземных фотометрических наблюдений
- Дашкевич Ж.В., Иванов В.Е. Оценка концентрации NO в полярных сияниях по интенсивностям эмиссий 391.4, 557.7 и 630.0 нм//Космические иссл. 2017. Т. 55. С. 337-341 DOI: 10.7868/S0023420617050028
- Дашкевич Ж.В., Зверев В.Л., Иванов В.Е. Отношение интенсивностей эмиссий I630.0/I427.8 и I557.7/I427.8 в полярных сияниях//Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46. С. 385-389.
- Дашкевич Ж.В., Иванов В.Е., Сергиенко Т.И., Козелов Б.В. Физико-химическая модель авроральной ионосферы//Космические иссл. 2017. Т. 55. С. 94-106 DOI: 10.7868/S0023420617020029
- Eather R.H., Mende S.B. Systematics in auroral energy spectra//J. Geophys. Res. 1972. V. 77. P. 660-673. DOI: 10.1029/JA 077i004p00660.
- Gérard J.-C., Barth C.A. High-latitude nitric oxide in the lower thermosphere//J. Geophys. Res. 1977. V. 82, P. 674-680 DOI: 10.1029/JA082i004p00674
- Gérard J.C., Noel C.E. AE-D measurements of the NO geomagnetic latitudinal distribution and contamination by N+(5S) emission//J. Geophys. Res. 1986. V. 91. P. 10136-10140
- DOI: 10.1029/JA091iA09p10136
- Rees M.H., Luckey D. Auroral electron energy derived from ratio of spectroscopic emissions. 1. Model computations // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 5181-5186
- DOI: :10.1029/JA079i034p05181
- Rusch D.W., Barth C.A. Satellite measurements of nitric oxide in the polar region//J. Geophys. Res. 1975. V. 80. P. 3719-3721
- DOI: 10.1029/JA080i025p03719
- Sergienko T.I., Ivanov V.E. A new approach to calculate the excitation of atmospheric gases by auroral electron impact//Ann. Geophys. 1993. V. 11. P. 717-727.
- Sharp W.E. NO2 continuum in aurora//J. Geophys. Res. 1978. V. 83. P. 4373-4376
- DOI: 10.1029/JA083iA09p04373
- Siskind D.E., Barth C.A., Evans D.S., Roble R.G. The response of the thermospheric nitric oxide to an auroral storm. 2. Auroral latitudes//J. Geophys. Res. 1989. V. 94, N A12. P. 16899-16911
- DOI: 10.1029/JA094iA12p16899
- Solomon C.S., Barth C.A., Bailey S.M. Auroral production of nitric oxide measured by the SNOE satellite//Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26. P. 1259-1262
- DOI: 10.1029/1999GL900235
- Stevens M.H., Conway R.R., Cardon J.G., Russell J.M. MAHRSI observations of nitric oxide in the mesosphere and lower thermosphere//Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. P. 3213-3216
- DOI: 10.1029/97GL03257
- Swider W., Narcisi R.S. Auroral E-region: Ion composition and nitric oxide//Planet. Space Sci. 1977. V. 25. P. 103-116
- DOI: 10.1016/0032-0633(77)90014-9
