Infrared Glow of Nitric Oxide in Earth’s Middle Atmosphere during GLE Events of the 23rd Solar Cycle

A. S. Kirillov; Кириллов А. С.; V. B. Belakhovsky; Белаховский В. Б.; E. A. Maurchev; Маурчев Е. А.; Yu. V. Balabin; Балабин Ю. В.; A. V. Germanenko; Германенко А. В.; B. B. Gvozdevsky; Гвоздевский Б. Б.

doi:10.31857/S0016794023600643

Инфракрасное свечение окиси азота в средней атмосфере Земли в событиях GLE 23-го солнечного цикла

Авторы: Кириллов А.С.¹, Белаховский В.Б.¹, Маурчев Е.А.¹^,2, Балабин Ю.В.¹, Германенко А.В.¹, Гвоздевский Б.Б.¹
Учреждения:
1. Полярный геофизический институт (ПГИ)
2. Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
Выпуск: Том 63, № 6 (2023)
Страницы: 822-831
Раздел: Статьи
URL: https://journal-vniispk.ru/0016-7940/article/view/232924
DOI: https://doi.org/10.31857/S0016794023600643
EDN: https://elibrary.ru/PTBOZU
ID: 232924

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Рассмотрена кинетика образования колебательно-возбужденных молекул NO(X²Π, v > 0) на высотах средней атмосферы Земли во время высыпания высокоэнергичных протонов. Проведен расчет профилей интенсивностей свечения инфракрасных полос окиси азота 5.3 мкм и 2.7 мкм в случае высыпания в атмосферу Земли высокоэнергичных протонов во время событий GLE65, GLE67, GLE69, GLE70 23-го солнечного цикла. Расчеты показали, что наибольшие значения интегральной интенсивности свечения полос 5.3 мкм и 2.7 мкм получаются для GLE69 и составляют 5.7 кР (килорэлей) и 0.18 кР соответственно. Сравнение результатов расчета для полосы 5.3 мкм во время события GLE69 с экспериментальными данными, полученными с космического летательного аппарата TIMED 20 января 2005 г., показало завышение результатов расчета в два раза.

Список литературы

− Гордиец Б.Ф. Колебательная релаксация ангармонических молекул N2 и концентрация окиси азота в возмущенной термосфере // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 17. № 5. С. 871–878. 1977.
− Гордиец Б.Ф., Марков М.Н. ИК-излучение и концентрация NО в существенно разогретой верхней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 23. № 3. С. 446– 450. 1983.
− Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука. 462 с. 1975.
− Кириллов А.С., Белаховский В.Б., Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б. Свечение молекулярного азота и молекулярного кислорода в средней атмосфере Земли во время высыпания высокоэнергичных протонов // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. № 6. С.769–776. 2021.
− Кириллов А.С., Белаховский В.Б., Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б. Электронная кинетика молекулярного азота и молекулярного кислорода в средней атмосфере Земли в событиях GLE 23-го солнечного цикла // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 63. № 1. С.94–103. 2023.
− Криволуцкий А.А., Репнев А.И. Воздействие космических факторов на озоносферу Земли. М.: ГЕОС. 382 с. 2009.
− Криволуцкий А.А., Репнев А.И. Воздействие космических энергичных частиц на атмосферу Земли // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 52. № 6. С. 723–754. 2012.
− Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Вашенюк Э.В. Новая численная модель для исследования космических лучей в атмосфере Земли // Изв. РАН. Сер. физическая. Т. 79. № 5. С. 711–713. 2015.
− Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. Модельный комплекс для исследования космических лучей RUSCOSMICS // Солнечно-земная физика. Т. 2. № 4. С. 3–8. 2016.
− Маурчев Е.А., Михалко Е.А., Германенко А.В., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б. / Программный комплекс RUSCOSMICS как инструмент для оценки скорости ионизации вещества атмосферы Земли протонами космических лучей // Изв. РАН. Сер. физическая. Т. 83. № 5. С. 712–716. 2019.
− Русанов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. М.: Наука. 415 с, 1984.
− Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. Уч. пос. М.: Наука. 729 с. 1980.
− Agostinelli S., Allisonas J., Amako K. et al. Geant4 – a simulation toolkit // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. V. 506. Sect. A. P. 250–303. 2003.
− Bernstein R.B., Levine R.D. Role of energy in reactive molecular scattering: An information-theoretic approach // Adv. Atom. Mol. Phys. V. 11. P. 215−297. 1976.
− Bouziane A., Ferdi M.A., Djebli M. Nitric oxide vibrationally excited levels and controlling processes in the Earth’s upper atmosphere during the daytime // Adv. Space Res. V. 69. № 2. P. 905−914. 2022.
− Burkholder J.B., Sander S.P., Abbatt J., Barker J.R., Huie R.E., Kolb C.E., Kurylo M.J., Orkin V.L., Wilmouth D.M., Wine P.H. Chemical kinetics and photochemical data for use in atmospheric studies, Evaluation No.18, Jet Propulsion Laboratory Publication 15-10, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena. 1392 p. 2015.
− Caledonia G.E., Kennealy J.P. NO infrared radiation in the upper atmosphere // Planet. Space Sci. V. 30. № 10. P. 1043−1056. 1982.
− Campbell L., Brunger M.J. Electron impact contribution to infrared NO emissions in auroral conditions // Geophys. Res. Lett. V.34. № 22. L22102. 2007.
− Cartwright D.C., Brunger M.J., Campbell L., Mojarrabi B., Teubner P.J.O. Nitric oxide excited under auroral conditions: Excited state densities and band emissions // J. Geophys. Res. – Space. V. 105. № A9. P. 20857−20867. 2000.
− Clark I.D., Wayne R.P. Kinetics of the reaction between atomic nitrogen and molecular oxygen in the ground () and first excited (1Δg) states // Proc. Roy. Soc Lond. A. V. 316. № 1527. P. 539−550. 1970.
− Funke B., Lopez-Puertas M., Garcia-Comas M., Kaufmann M., Höpfner M., Stiller G.P. GRANADA: A Generic RAdiative traNsfer AnD non-LTE population algorithm // J. Quan. Spec. Rad. Tran. V.113. № 14. P. 1771− 1817. 2012.
− Gordiets B.F., Kulikov Yu.N., Markov M.N., Marov M.Ya. Numerical modelling of the thermospheric heat budget // J. Geophys. Res. – Space. V. 87. № A6. P. 4504−4514. 1982.
− Gordillo-Vazquez F.J. Air plasma kinetics under the influence of sprites // J. Phys. D: Appl. Phys. V. 41. № 23. 234016. 2008.
− Green B.D., Caledonia G.E., Murphy R.E., Robert F.H. The vibrational relaxation of NO( = 1–7) by O2 // J. Chem. Phys. V. 76. № 5. P. 2441−2448. 1982.
− Hancock G., Morrison M., Saunders M. Vibrational relaxation of NO( = 1–16) in collisions with O2 studied by time resolved Fourier transform infrared emission // Chem. Phys. Lett. V. 425. № 4−6. P. 216−220. 2006.
− Kirillov A.S., Aladjev G.A. Estimation of atomic oxygen concentrations from measured intensities of infrared nitric oxide radiation // Ann. Geophys. V. 16. № 7. P. 847−852. 1998.
− Kirillov A.S., Belakhovsky V.B., Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Germanenko A.V., Gvozdevsky B.B. Vibrational kinetics of NO and N2 in the Earth’s middle atmosphere during GLE69 on January 20, 2005 // J. Geophys. Res. – Atmosphere. V. 128. № 17. 2023JD038600. 2023.
− Kockarts G. Nitric oxide cooling in the terrestrial thermosphere // Geophys. Res. Lett. V. 7. № 2. P. 137−140. 1980.
− Lopez-Puertas M., Taylor F.W. Non-LTE radiative transfer in the atmosphere. Singapore: World Scientific Publishers, 506 p., 2001.
− Mlynczak M., Martin-Torres F.J., Russell J. et al. The natural thermostat of nitric oxide emission at 5.3 μm in the thermosphere observed during the solar storms of April 2002 // Geophys. Res. Lett. V. 30. № 21. 2100. 2003.
− Nesbet R.K. Surprisal theory, in Theoretical chemistry. Theory of scattering, 6B. Ed. D. Henderson. New York: Academic Press. P. 79−126. 1981.
− Porter H.S., Jackman C.H., Green A.E.S. Efficiencies for production of atomic nitrogen and oxygen by relativistic proton impact in air // J. Chem. Phys. V. 65. № 1. P. 154− 167. 1976.
− Rawlins W.T., Caledonia G.E., Gibson J.J., Stair A.T., Jr. Infrared emission from NO(Δ = 1) in an aurora: Spectral analysis and kinetic interpretation of HIRIS measurements // J. Geophys. Res. – Space. V. 86. № A3. P. 1313−1324. 1981.
− Rawlins W.T., Fraser M.E., Miller S.M. Rovibrational excitation of nitric oxide in the reaction of O2 with metastable atomic nitrogen // J. Phys. Chem. V. 93. № 3. P. 1097− 1107. 1989.
− Rawlins W.T., Person J.C., Fraser M.E., Miller S.M., Blumberg W.A.M. The dipole moment and infrared transition strengths of nitric oxide // J. Chem. Phys. V. 109. № 9. P. 3409−3417. 1998.
− Sentman D.D., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Morrill J.S. Plasma chemistry of sprite streamers // J. Geophys. Res. – Atmosphere. V.113. № 11. D11112. 2008.
− Sharma R.D., Dothe H., von Esse F., Kharchenko V.A., Sun Y., Dalgarno A. Production of vibrationally and rotationally excited NO in the night time terrestrial thermosphere // J. Geophys. Res. – Space. V. 101. № A9. P. 19 707−19 713. 1996.
− Simpson J.A. Introduction to the galactic cosmic radiation / Composition and origin of cosmic rays. Ed. Shapiro M.M. NATO ASI Series (Series C: Mathematical and Physical Sciences). V. 107. P.1−24. Dordrecht: Springer. 1983.
− Turunen E., Verronen P.T., Seppälä A., Rodger C.J., Clilverd M.A., Tamminen J., Enell C.-F., Ulich T. Impact of different energies of precipitating particles on NOx generation in the middle and upper atmosphere during geomagnetic storms // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 71. № 10−11. P. 1176−1189. 2009.
− Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Features of relativistic solar proton spectra derived from ground level enhancement events (GLE) modeling // Astrophys. Space Sci. Trans. V. 7. № 4. P. 459–463. 2011.
− Venkataramani K., Yonker J.D., Bailey S.M. Contribution of chemical processes to infrared emissions from nitric oxide in the thermosphere // J. Geophys. Res. – Space. V. 121. № 3. P. 2450−2461. 2016.
− Winick J.R., Mlynczak M.G., Wintersteiner P.P., Martin-Torres F.-J., Picard R.H., Paxton L., Lopez-Puertas M., Russell J.M., Christensen A., Gordley L. Thermospheric infrared radiance response to the April 2002 geomagnetic storm from SABER infrared and GUVI ultraviolet limb data // Proceedings SPIE. V. 5235. P. 250−263. 2004.