Том 38, номер 09, статья № 11

Аннотация:

Высотные атмосферные разряды существенно влияют на появление и движение заряженных частиц в атмосфере Земли, в частности, негативно влияют на связь. Они отличаются разнообразием и сложностью физических процессов, поэтому их изучение привлекает исследователей из различных стран. В настоящей работе исследуется кинетика процессов с участием триплетных состояний молекулярного азота при давлениях воздуха 0,03–1 торр. Демонстрируются зависимости от давления отношений спектральной плотности энергии излучения четырех полос первой положительной системы азота к двум полосам второй положительной системы азота. Результаты моделирования и экспериментальные измерения показали увеличение отношения интенсивностей полос первой положительной системы азота к интенсивностям второй положительной системы с уменьшением давления. Установлено, что это связано с ростом скорости тушения состояния B³Π_g молекулами азота с увеличением плотности атмосферы. Данные результаты объясняют причину изменения цвета красных спрайтов при уменьшении высоты над уровнем моря начиная с ~ 50 км и могут быть использованы для исследований различных разрядов в мезосфере и стратосфере.

Ключевые слова:

разряд в воздухе, триплетные состояния молекулярного азота, плазменные диффузные струи, моделирование, эксперимент

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Pasko V.P. Recent advances in theory of transient luminous events // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. DOI: 10.1029/2009JA014860.
2. Kuo C.L. The middle atmosphere: Discharge phenomena // Advances in Spacecraft Systems and Orbit Determination. Shanghai: InTech, 2012. P. 1–28.
3. Донченко В.А., Кабанов М.В., Кауль Б.В., Нагорский П.М., Самохвалов И.В. Электрооптические явления в атмосфере. Томск: Изд-во НТЛ, 2015. 314 с.
4. Surkov V.V., Hayakawa M. Progress in the study of transient luminous and atmospheric events: A review // Surv. Geophys. 2020. V. 41. P. 1101–1142. DOI: 10.1007/s10712-020-09597-2.
5. Franz R.C., Nemzek R.J., Winckler J.R. Television image of a large upward electrical discharge above a thunderstorm system // Science. 1990. V. 249. P. 48–51. DOI: 10.1126/science.249.4964.48.
6. Stenbaek-Nielsen H.C., Haaland R., McHarg M.G., Hensley B.A., Kanmae T. Sprite initiation altitude measured by triangulation // J. Geophys. Res. 2010. V. 115, N A00E12. DOI: 10.1029/2009JA014543.
7. Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R., Luque A. Optical spectra of small-scale sprite features observed at 10.000 fps // J. Geophys. Res.: Atmos. 2020. V. 125, N e2020JD033170. DOI: 10.1029/2020JD033170.
8. Luque A., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R. Sprite beads and glows arising from the attachment instability in streamer channels // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 2431–2449. DOI: 10.1002/2015JA022234.
9. Marskar R. Genesis of column sprites: Formation mechanisms and optical structures // Plasma Sources Sci. Technol. 2024. V. 33, N 025024. DOI: 10.48550/arXiv.2310.08254.
10. Malagon-Romero A., Teunissen J., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Ebert U., Luque A. On the emergence mechanism of carrot sprites // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 47, N e2019GL085776. DOI: 10.1029/2019GL085776.
11. Jehl A., Farges T., Blanc E. Color pictures of sprites from nondedicated observation on board the International Space Station // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. V. 118. P. 454–461. DOI: 10.1029/2012JA018144.
12. Ihaddadene M.A., Celestin S. Determination of sprite streamers altitude based on N₂ spectroscopic analysis // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 1000–1014. DOI: 10.1002/2016JA023111.
13. Soula S., van Der Velde O., Montanya J., Huet P., Barthe C., Bór J. Gigantic jets produced by an isolated tropical thunderstorm near Réunion Island // Atmos. 2011. V. 116, N D19103. DOI: 10.1029/2010JD015581.
14. Gordillo-Vázquez F.J. Air plasma kinetics under the influence of sprites // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41, N 234016. DOI: 10.1088/0022-3727/41/23/234016.
15. Gordillo-Vázquez F.J. Vibrational kinetics of air plasmas induced by sprites // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. V. 115, N A00E25. DOI: 10.1029/2009JA014688.
16. Luque A., Gordillo-Vázquez F.J. Modeling and analysis of N₂(B³P_g) and N₂(C³P_u) vibrational distributions in sprites // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2011. V. 116, N A02306. DOI: 10.1029/2010JA015952.
1. 17. Williams E., Valente M., Gerken E., Golka R. Sprites, Elves, and Intense Lightning Discharges. Dordrecht: Springer, 2006. P. 237–251.
18. Goto Y., Ohba Y., Narita K. Optical and spectral characteristics of low pressure air discharges as sprite models // J. Atmos. Electr. 2007. V. 27, N 2. P. 105–112. DOI: 10.1541/jae.27.105.
19. Opaits D.F., Shneider M.N., Howard P.J., Miles R.B., Milikh G.M. Study of streamers in gradient density air: Table top modeling of red sprites // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37, N L14801. DOI: 10.1029/2010GL043996.
20. Evtushenko A.A., Gushchin M.E., Korobkov S.V., Strikovskiy A.V., Mareev E.A. Simulation of high-altitude discharges in a large plasma facility // Geomagn. Aeron. 2020. V. 60. P. 345–354. DOI: 10.1134/S0016793220030068.
21. Бакшт Е.Х., Виноградов Н.П., Тарасенко В.Ф. Формирование стримеров в неоднородном электрическом поле при низких давлениях воздуха // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 9. С. 777–781. DOI: 10.15372/AOO20220911; Baksht E.Kh., Vinogradov N.P., Tarasenko V.F. Generation of streamers in an inhomogeneous electric field under low air pressure // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35. P. 777–781.
22. Sorokin D., Tarasenko V., Baksht E.Kh., Vinogradov N.P. Ionization waves, propagating in opposite directions, as in red sprites // Europ. J. Environ. Earth Sci. 2022. V. 3, N 6. P. 42–48. DOI: 10.24018/ejgeo.2022.3.6.322.
23. Тарасенко В.Ф., Виноградов Н.П., Бакшт Е.Х., Сорокин Д.А., Печеницин Д.С. Яркие области излучения в воздухе низкого давления при встрече плазменных диффузных струй // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 4. С. 294–301. DOI: 10.15372/AOO20240405; Tarasenko V.F., Vinogradov N.P., Baksht E.Kh., Sorokin D.A., Pechenitsin D.S. Bright areas of luminescence in low-pressure air when diffuse plasma jets meet // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 4. P. 547–555.
24. Kirillov A.S., Belakhovsky V.B. The kinetics of N₂ triplet electronic states in the upper and middle atmosphere during relativistic electron precipitations // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46, N 13. P. 7734–7743. DOI: 10.1029/2019GL083135.
25. Кириллов А.С., Белаховский В.Б. Свечение полос молекулярного азота в атмосфере Земли во время высыпания высокоэнергичных электронов // Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 1. С. 93–98. DOI: 10.31857/S0016794020010071.
26. Gilmore F.R., Laher R.R., Espy P.J. Franck-Condon factors, r-centroids, electronic transition moments, and Einstein coefficients for many nitrogen and oxygen band systems // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1992. V. 21, N 5. P. 1005–1107. DOI: 10.1063/1.555910.
27. Kirillov A.S. Intermolecular electron energy transfer processes in the quenching of N₂(C³P_u, v = 0–4) by collisions with N₂ molecules // Chem. Phys. Lett. 2019. V. 715. P. 263–267. DOI: 10.1016/j.cplett.2018.11.048.
28. Pancheshnyi S.V., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Collisional deactivation of N₂(C³P_u, v = 0, 1, 2, 3) states by N₂, O₂, H₂, and H₂O molecules // Chem. Phys. 2000. V. 262, N 2. P. 349–357. DOI: 10.1016/S0301-0104(00)00338-4.
29. Itikawa Y. Cross sections for electron collisions with nitrogen molecules // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2006. V. 35, N 1. P. 31–53. DOI: 10.1063/1.1937426.
30. Nassar H., Pellerin S., Musiol K., Martinie O., Pellerin N., Cormier J.-M. N₂⁺/N₂ ratio and temperature measurements based on the first negative N₂⁺ and second positive N₂ overlapped molecular emission spectra // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. V. 37, N 14. P. 1904–1916. DOI: 10.1088/0022-3727/37/14/005.
31. Laux C.O. Radiation and nonequilibrium collisional-radiative models // Physico-Chemical Modeling of High Enthalpy and Plasma Flows / D. Fletcher, J.-M. Charbonnier, G.S.R. Sarma, T. Magin (eds.). Rhode-Saint-Genuse: Belgium, 2002. P. 2002–2007.