Диссертация (1149451), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Известно, что соотношение интенсивностейв атмосферной полосев условиях термодинамического равновесия,соответствует средневзвешенной по ширине эмиссионного слоя температуреатмосферы. Таким образом, измерения молекулярных полос ночного небаявляются простым и надежным способом исследования термическогосостояния области верхней мезосферы. Имеются многочисленные работы, вкоторых по излучению полос свечения ночного неба исследуются суточные,полусуточныеитреть-суточныекомпонентыатмосферногоприлива[Аммосов и др.,1986; Oznovich et al., 1995; Reisin, Scheer, 1996; Pendleton etal., 2000]. Несмотря на то, что в последние годы наблюдается ростколичества исследований приливных колебаний по их влиянию на свечениеночного неба, они все еще разрознены.
В большей мере измеренияпроводились в области полярной шапки и на средних широтах.1.3.Излучение гидроксила (ОН) и молекулярного кислорода (О2)Излучение полос молекул гидроксила в области мезопаузы.Впервые излучение гидроксила увидели на фотографиях спектраночного неба с длинами волн до 860 нм, исследуя спектры излучения планет[Slipher,1929;наблюдаемыхSommer,спектров1932;из-заBabcock,плохой1939].Норазрешенностиотождествлениесделатьбылоневозможно. Природу наблюдаемого излучения определили только в 1948году, когда Мейнел [Meinel, 1948] и далее Красовский [Красовский, 1949]получили фотографии спектров с дисперсией около 25 нм·мм–1.
Нафотографияхспектроввобласти700–1100нмчетковыявилисьвращательные структуры не отождествленных ранее полос излучения, длякоторых легко распознавались ветви R, Q и P. Анализ полученных спектров,выполненный Герцбергом, позволил отождествить их с вращательноколебательным спектром основного состояния Х2П молекулы гидроксила, а22 экспериментальноеподтверждениевнесМейнел[Meinel,1950а,b,c].Впоследствии Шкловский впервые вычислил вероятности переходов дляколебательно-вращательных полос гидроксила и на их основе оценил интенсивности излучения других возможных полос ОН [Шкловский, 1951;Shklovsky, 1957].Исследованияпоказали,чтогидроксил(ОН)являетсямалымкомпонентом земной средней атмосферы с максимальной концентрацией иобщим содержанием соответственно ~ 107 см-3 и 1012 см-2. Вращательноколебательныевозникающиеполосывосновногорезультатесостоянияэкзотермическихмолекулыреакций,ОН(Х2П),находятсявколебательно-возбужденном состоянии только в области мезопаузы и вышеее, где частота столкновений относительно низкая, часть возбужденныхмолекул гидроксила испытывает радиационные переходы, которые иобразуютколебательно-вращательныеинтенсивностью1.5–2.0МРелейполосыизлучения(1Рэлэй=собщей106 фотон·см-2·с-1),охватывающие спектральную область от 0.5 до 5 мкм [Шефов и Питерская,1984].Основной реакцией образования колебательно возбужденных молекулОН в области мезопаузы является реакция между озоном и атомарнымводородом, впервые представленная Бейтсом и Николе [Bates, Nicolet, 1950]:O3 + H → O2 +OH (Х2П, v≤9) +3.3 эВ(1)Данная реакция обеспечивает возбуждение колебательных уровней (v)основного электронного состояния молекул гидроксила до девятого уровня.В возбуждении молекул гидроксила на более низких колебательных уровнях(v≤6), согласно [Breig, 1970; Krassovsky, 1963; Krassovsky, 1972] участвуетследующая реакция:O3 + HO2 → O2 +OH (Х2П, v≤6) +2.3 эВ.23 (2)Достоинством гидроксильного излучения является то, что оно характеризуется тремя важными геофизическими параметрами, связанными сусловиями возникновения эмиссии в области мезопаузы – интенсивностьизлучения, вращательная и колебательная температуры, которые могутопределяться при помощи наземных измерений.
Интенсивность излученияотдельных полос является важным параметром, характеризующим скоростьфотохимических процессов и сложную динамическую структуру процессов вверхней атмосфере. Вращательная и колебательная температуры, характеризуя состояние среды, скорости дезактивации и установления равновесия, втожевремяспособствуютвыяснениювероятностивращательно-колебательных переходов, определяющих в конечном итоге наблюдаемыезначения всех этих параметров [Шефов и др., 2006].Излучающий слой гидроксила находится примерно на 80-90 км и поракетным данным имеет максимальную объемную интенсивность на высоте~87 км и толщину ~9 км [Baker, Stair, 1988].Молекула гидроксила представляет собой двухатомную молекулу,теория формирования спектров эмиссии двухатомных молекул описывается вработе [Herzberg, 1950].
На рисунке 1.4 представлена вращательнаяструктураколебательныхуровнейосновногосостояниямолекулыгидроксила. Мультиплетная структура этой молекулы возникает из-за спин орбитального взаимодействия, когда состояние Х2Празделяется на дваподуровня Х2П3/2 и Х2П1/2, из которых первый расположен на ~140 см-1 нижевторого. Взаимодействие между электронным орбитальным движением ивращением молекулы вызывает расщепление каждого вращательного уровняна две компоненты (“+” и “-”).24 Рисунок 1.4. Вращательная структура колебательных уровней основногосостояния молекулы ОН [Герцберг, 1974]Вращательнаятемператураопределяетсяпораспределениюинтенсивности во вращательно-колебательной структуре полос, главнымобразом ветви Р [Шефов, 1961]. Кроме того, температуру можно определитьпо относительным суммарным интенсивностям группы линий, чаще всего,ветвей R1, Q1 и P1, подробнее эти сведения описаны в работе [Питерская иШефов, 1975].25 Процедураопределениявращательнойтемпературысостоитвпостроении корреляционного соотношения:где С – константа, I(J′,J′′) - интенсивность вращательно-колебательнойлинии, λ - длина волны, i(J′) - фактор интенсивности для соответствующейлинии, F(J′) - энергия вращательного уровня J′ относительно значенияэнергииколебательного уровня v′ ,- вращательная температура.Температура определяется по коэффициенту регрессии.
Существуютразличные теоретические подходы, учитывающие сложные процессывзаимосвязивращательныхиколебательныхпереходов в основномсостоянии молекулы ОН, описанные в следующих работах [Roux et al., 1973;Mies, 1974; Turnbull, 1987; Langhoff, 1986; Turnbull, 1989; Goldman et al.,1998; French et al., 2000; Pendleton, Taylor, 2002]. Использование i(J′), ветвейP1, Q1, R1 показывает, что каждая из ветвей приводит к различным значениямтемпературы как показано в таблице 1.1.Таблица 1.1Сопоставление факторов интенсивности вращательно-колебательныхполос ОН основного состояния Х2Π, согласно [Benedict et al., 1953], cвычисленными по данным работ:[Mies, 1974; Turnbull, 1987; Langhoff, 1986]N'J'i (J ')Линииветви РBPHTTLLWRM13/2P1(1)1.621.621.621.621.6225/2P1(2)2.902.712.923.033.0237/2P1(3)4.043.644.114.444.4449/2P1(4)5.144.545.855.905.91511/2P1(5)6.215.407.387.457.47.26 Поскольку различные авторы используют различные значения i(J) итем более различные комплекты вращательных линий, то необходимо всегдаиметь в виду это систематическое различие при сравнении данныхразличных исследователей.Неоднозначным является не только значение фактора интенсивности.В настоящее время насчитывается более десяти работ по определениювероятностей радиационных переходов для OH (Х2П) [Шкловский, 1951;Heaps, Herzberg, 1952; Phelps, Dalby, 1965; Potter et al., 1971; Murphy, 1971;Llewellyn, Long, 1978; Nelson et al., 1990; Dodd et al., 1991; Smith et al., 1992;Holzclaw et al., 1993].
Одной из наиболее используемых систем для анализаспектров излучения гидроксила в верхней атмосфере является теоретическиевеличины вероятностей AV’V [Mies, 1974]. В своей работе мы использовалипредставленную в таблице 1.2 систему вероятностей радиационныхколебательных переходов [Mies, 1974].Использование различными исследователями разных комплектовфакторов интенсивностей может привести к возникновению систематическихразличий в температурах, которые могут составлять 5-14 K [Перминов и др.,2007].Интенсивностьизлученияотдельныхполосявляетсяважнымпараметром, характеризующим скорость фотохимических процессов исложную динамическую структуру процессов в верхней атмосфере.
В своейработе мы используем однородные данные о распределении интенсивностейР-ветвиввращательноймолекулярнойполосыполосеОН(6-2)ОН(6-2).являетсяЭмиссиярезультатомколебательнопереходасвозбужденного уровня v'=6 на более низкий уровень v=2. Полоса ОН(6-2) всвечении ночного неба варьирует в диапазоне с длиной волны порядка 82808600 Å.27 Таблица 1.2Коэффициенты Эйнштейна A(v'→v'') (c–1) для радиационных переходовмолекул OH (X2П, v ≤ 9) [Mies, 1974]v″0v′112023456789140.920.0790.0525404.30.390.05322173111.30.180.030312108212.90.570.1344.5141375.71.252,3163611169,116790726147∑А,с–1851lg∑А201.33963891241662122603001.591.801.952.092.222.332.42.48Излучение эмиссии молекулярного кислорода первой атмосфернойполосы О2(0–1).Молекулярный кислород является важнейшим компонентом земнойатмосферы. Он активно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца иблагодаряемуобразуютсямногочисленныехимическиактивныекомпоненты.
Молекула кислорода излучает только с одного электронногосостояния.Остальныешестьэлектронныхсостоянийявляютсяметастабильным, которые имеют девять переходных систем полос. Шесть изних находятся в ультрафиолетовой области спектра, три – в инфракрасной.На рисунке 1.5 показана схема переходов между различными электроннымисостояниями.28 Рисунок 1.5.
Схема переходов между различными электроннымисостояниями.Атмосфернаясистема()былаобнаруженаГерцбергом по эффекту поглощения [Herzberg, 1932] и интенсивно имизучалась [Herzberg, 1952]. О наличии полосы (0-1) атмосферной системысообщил Мейнел в 1948 году [Meinel, 1950], иуверенноотождествилвсвеченииночногонебаодновременносгидроксильным излучением.Первым, кто высказал предположение, что в процессе тройных ударовмогут образовываться молекулы в основном и в возбужденных электронныхсостояниях был Бейтс [Bates, 1954]:(4)29 В этой реакции образуются возбужденные молекулы, в том числе[Greer et al., 1981]. В результате процессов дезактивации этихмолекул могут образовываться молекулы:,где α – коэффициент скорости реакции (см3·с-1)Наиболее интенсивным переходом является полоса (0–0) с длинойволны 761.9 нм, далее по значимости является полоса (0–1) с длиной волны864.5 нм.
Другие полосы в излучении ночной атмосферы имеют очень малыеинтенсивности, поэтому практически не наблюдаются [Slanger et al., 2000].Как уже говорилось ранее, Область возникновения эмиссии атмосфернойсистемысоставляет 90-100 км [Hunten 1967; Izod,Wayne, 1968; Llewellyn, 1971]. Высотное распределение меры эмиссии дляполосы (0–1) атмосферной системы О2 показано на рисунке 1.6 [Тарасова,1962; Краснопольский, 1987].30 Рисунок 1.6. Пример высотного распределения меры эмиссиидля полосы (0–1) О2 [Краснопольский, 1987].Интенсивность эмиссии атмосферных полос О2 в дневное времявозрастает на два порядка, по сравнению с ночным, также, по результатамракетного эксперимента [Wallace, Hunten, 1968] слой свечения расширяется иохватывает высоты от 30 до 150 км.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
