Non-thermal processes of nitrogen oxide formation during precipitation of auroral electrons into the upper atmospheres of terrestrial planets

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Nitric oxide is a potential biomarker in the N 2 -O 2 atmospheres of terrestrial exoplanets, which can be detected by space missions, including the planned launch of the Russian Spektr-UF observatory. From observations of the Earth's thermosphere in the polar regions, it is known that important sources of formation of this molecule are the precipitation of high-energy electrons into the planet's atmosphere, as well as the non-thermal processes accompanying them. In this paper the non-thermal processes of nitrogen oxide formation in the polar regions of the Earth's upper atmosphere are investigated, as well as the atmospheres of exoplanets located in the potential habitability zone of active stars. For this purpose, a numerical kinetic Monte Carlo model of the interaction of high-energy electrons with atmospheric gas has been developed; a kinetic Monte Carlo model of the interaction of suprathermal N( 4 S) atoms formed as a result of dissociation of N 2 molecules by electron impact with the surrounding gas; as well as a model of odd nitrogen chemistry with taking into account the molecular and turbulent diffusion. According to the results of calculations, it is confirmed that the process of dissociation of N 2 by an electron impact during the interaction of the stellar wind with the atmosphere of the planet is an important source of suprathermal N atoms, which contribute to a significant increase in the non-thermal formation of NO in the N 2 -O 2 atmospheres of terrestrial planets (both locally, in the case of a planet's own magnetic field, and throughout the planet's surface, in the case of its absence). Because the column concentration of NO during flares becomes larger, therefore the chances of detecting of nitric oxide biomarker in the atmospheres of the terrestrial-type exoplanets located in the potential habitability zone of active stars are also become larger.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. I. Shematovich

Institute of Astronomy of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: shematov@inasan.ru
Russian Federation, Moscow

D. V. Bisikalo

Institute of Astronomy of Russian Academy of Sciences; National Center of Physics and Mathematics

Email: shematov@inasan.ru
Russian Federation, Moscow; Sarov

G. N. Tsurikov

Institute of Astronomy of Russian Academy of Sciences

Email: shematov@inasan.ru
Russian Federation, Moscow

A. G. Zhilkin

Institute of Astronomy of Russian Academy of Sciences

Email: shematov@inasan.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. H. Lammer, L. Sproß, J. L. Grenfell, et al., Astrobiology 19, № 7, 927–950 (2019).
  2. L. Sproß, M. Scherf, V. I. Shematovich, et al., Astronomy Reports 65, 275–296 (2021).
  3. C. P. Johnstone, M. Güdel, H. Lammer, K. G. Kislyakova, Astron. and Astrophys. 617, № A107, 36 (2018).
  4. A. Nakayama, M. Ikoma, N. Terada, Astrophys. J. 937, № 72, 18 (2022).
  5. A. Coustenis and F. Taylor Titan: Exploring an Earthlike World (Second Edition: Series on Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics, 4, 412, 2008).
  6. S. D. Domagal-Goldman, A. Segura, M. W. Claire, et al., Astrophys. J. 792, № 90, 15 (2014).
  7. A. Misra, V. Meadows, M. W. Claire, D. Crisp, Astrobiology 14, № 2, 67–86 (2014).
  8. E. W. Schwieterman, S. L. Olson, D. Pidhorodetska, C. T. Rein -hard, et al., Astrophys. J. 937, № 109, 22 (2022).
  9. Г. Н. Цуриков, Д. В. Бисикало, Астрон. Журн. 100, № 2, 144–165 (2023).
  10. Г. Н. Цуриков, Д. В. Бисикало, Астрон. Журн. 100, № 11, 987–1004 (2023).
  11. C. A. Barth, D. N. Baker, K. D. Mankoff, S. M. Bailey, Geophys. Res. Lett. 28, № A1, 1463–1466 (2001).
  12. C. A. Barth, K. D. Mankoff, S. M. Bailey, S. C. Solomon, J. Geophys. Res. 108, 1027–1038 (2003).
  13. C. A. Barth, S. C. Bailey, S. C. Solomon, Geophys. Res. Lett. 26, 1251–1254 (1999).
  14. J. C. Gérard, C. A. Barth, J. Geophys. Res. 82, 674–680 (1977).
  15. H. Dothe, J. W. Duff, R. H. Sharma, N. B. Wheeler, et al., J. Geophys. Res. 107, № A1, 9 (2002).
  16. C. Sætre, C. A. Barth, J. Stadsnes, J. Geophys. Res. 112, № A08306, 11 (2007).
  17. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and J. C. Gérard, Geophys. Res. Lett. 18, 1691–1693 (1991).
  18. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and J. C. Gérard, Annales Geophysicae 10, 792–801 (1992).
  19. J. C. Gérard, V. I. Shematovich, and D. V. Bisikalo, Geophys. Res. Lett. 18, 1695–1697 (1991).
  20. J.-C. Gérard, V. I. Shematovich, and D. V. Bisikalo The Upper Mesosphere and Lower Thermosphere: A Review of Experiment and Theory (Geophysical Monograph Series, 87, 235–242, 1995).
  21. J.-C. Gérard, D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, and J. W. Duff, J. Geophys. Res. 102, № A1, 285–292 (1997 ).
  22. D. E. Siskind, C. A. Barth, and R. G. Roble, J. Geophys. Res. 94, № A12, 16885–16898 (1989).
  23. D. E. Siskind, C. A. Barth, D. S. Evans, and R. G. J. Roble, Geophys. Res. 94, № A12, 16899–16911 (1989).
  24. D. Bisikalo, V. Shematovich, B. Hubert, Universe 8, 437–451 (2022).
  25. S. C. Solomon, J. Geophys. Res. 106, 107–116 (2001).
  26. S. C. Solomon, J. Geophys. Res. Space Physics 122, 7834–7848 (2017).
  27. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, J.-C. Gérard, et al., J. Geophys. Res. 113, № E02011, 9 (2008).
  28. V. Shematovich, D. Bisikalo, G. Tsurikov, Atmosphere 14, № 1092, 15 (2023).
  29. D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, P. V. Kaygorodov, A. G. Zhil- kin, Physics Uspiekhy 64, 747–800 (2021).
  30. V. I. Shematovich, Russian Chemical Reviews 88, 1013–1045 (2019).
  31. T. Tabata, T. Shirai, M. Sataka, H. Kubo, Atom. Data and Nucl. Data Tables 92, № 3, 375–406 (2006).
  32. Y. J. Itikawa Phys. and Chem. Ref. Data 35, 31–53 (2006).
  33. Y. J. Itikawa Phys. and Chem. Ref. Data 38, 1–20 (2009).
  34. K. Anzai, H. Kato, M. Hoshino, et al., European Physical Journal D 66, № 36, 36 (2012).
  35. H. S. Porter, C. H. Jackman, A. E. S. Green, J. Chem. Phys. 65, 154–167 (1976).
  36. C. H. Jackman, R. H. Garvey, A. E. S. Green, J. Geophys. Res. 82, 5081–5090 (1977).
  37. M. Ya. Marov, V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, Space Science Reviews 76, 1–202 (1996).
  38. P. C. Cosby, J. Chem. Phys. 98, 9544–9553 (1993).
  39. C. W. Walter, P. C. Cosby, H. Helm, J. Chem. Phys. 99, 3553–3561 (1993).
  40. A. E. Hedin, J. Geophys. Res. 96, 1159–1172 (1991).
  41. R. A. Sultanov, N. J. Balakrishnan, Chem. Physics 124, №124321, 7 (2006).
  42. D. Bermejo-Pantaleón, B. Funke, M. López-Puertas, et al., J. Geophys. Res.: Space Physics 116, № A10, 24 (2011).
  43. L. Vejby-Christensen, D. Kella, H. B. Pedersen, and L. H. An -derson, Phys. Rev. A 57, 3627 (1998).
  44. А. Г. Жилкин, Ю. Г. Гладышева, В. И. Шематович, Д. В. Би- сикало, Астрон. Журн. 100, № 12, 1190–1209 (2023).
  45. S. D. Cohen, A. C. Hindmarsh, P. F. Dubois, Computers in physics 10, № 2, 138–143 (1996).
  46. D. Bilitza, D. Altadill, V. Truhlik, V. Shubin, et al., Space Weather 15, 418–429 (2017).
  47. S. M. Bailey, J. Geophys. Res. 107, № A8, 1205–1227 (2002) .
  48. C. A. Barth, Planet. Space Sci. 40, 315–336 (1992).
  49. P. M. Banks, G. Kockarts Aeronomy (New York: Academic Press, 430, 1973).
  50. R. G. Roble The Upper Mesosphere and Lower Thermosphere: A Review of Experiment and Theory (ed. by R. M. Johnson and T. L. Killeen, Geophysical Monograph, London, 1995) .
  51. D. T. Decker, B. V. Kozelov, B. Basu, et al., J. Geophys. Res. 101, 26947–26960 (1996) .
  52. R. J. Redmon, W. F. Denig, L. M. Kilcommons, K. J. Knipp, J. Geophys. Res.: Space Physics 122, № 8, 9056–9067 (2017).
  53. N. Balakrishnan, A. Dalgarno, Chemical Physics Letters 302, 485–488 (1999).
  54. E. C. Zipf, R. W. McLaughlin, Planet. Space Sci. 26, 449 (1978).
  55. W. L. Borst, E. C. Zipf, Phys. Rev. A 1, 834 (1970).
  56. F. D. Colegrove, W. B. Hanson, and F. S. Johnson, J. Geophys. Res. 70, 4931 (1965).
  57. J. Kasting, D. Whitmire, and R. Reynolds, Icarus 101, № 1, 108–128 (1993).
  58. R. K. Kopparapu, R. Ramirez, J. F. Kasting, V. Eymet, et al., Astrophys. J. 765, № 2, 16 (2013).
  59. Б. Ф. Гордиец, Ю. Н. Куликов, М. Н. Марков, М. Я. Маров, Труды ФИАН 130, 28 (1982).
  60. A. Dalgarno, Ann. Geophys. 20, 65–74 (1964).
  61. A. Dalgarno, I. D. Latimer, J. W. McConkey, Planet. Space Sci. 13, № 1008–1009 (1965).
  62. J. A. Whalen, R. R. O’Neil, R. H. Picard Handbook of Geophysics and the Space Environment (ed. A. S. Jursa, Air Force Geophysics Laboratory Hanscom AFB, MA, 12, 12-1–12-42, 1985).
  63. M. J. Seaton, J. Atmos. Terr. Phys. 4, № 6, 285–294 (1954).
  64. И. С. Саванов, Астрофизический бюллетень 76, № 2, 202–209 (2021).
  65. J. L. Linsky, M. Güdel Characterizing Stellar and Exoplanetary Environments (ed. H. Lammer, M. Khodachenko, Astrophysics and Space Science Library, Springer, 3–16, 2015).
  66. J. L. Linsky, R. Bushinsky, T. Ayres, J. Fontenla, K. France, Astrophys. J. 745, № 25, 8 (2012).
  67. I. Ribas, E. F. Guinan, M. Güdel, M. Audard, Astrophys. J. 622, № 1, 680–694 (2005).
  68. I. Ribas, G. F. Porto de Mello, L. D. Ferreira, E. Hébrard, et al., Astrophys. J. 714, № 1, 384–395 (2010).
  69. M. W. Claire, J. Sheets, M. Cohen, I. Ribas, et al., Astrophys. J. Suppl. Ser. 757, № 95, 12 (2012).
  70. M. Güdel, E. F. Guinan, S. L. Skinner, Astrophys. J. 483, 947–960 (1997).
  71. B. E. Wood, H. R. Müller, G. P. Zank, J. L. Linsky, S. Redfield, Astrophys. J. 628, L143–L146 (2005).
  72. B. E. Wood, J. L. Linsky, M. Güdel Exoplanet Host Star Radiation and Plasma Environment (ed. H. Lammer, M. Khodachenko, Characterizing Stellar and Exoplanetary Environments. Astrophysics and Space Science Library, Springer, 19–32, 2015).
  73. A. A. Vidotto, Living Reviews in Solar Physics 18, № 3, 86 (2021).
  74. M. L. Khodachenko, I. Ribas, H. Lammer, J. M. Grießmeier, et al., Astrobiology 7, № 1, 167–184 (2007).
  75. A. Cherenkov, D. Bisikalo, L. Fossati, C. Mostl, Astrophys. J. 846, № 1, 31 (2017).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. (Top panel): Altitude profiles of the distribution of number concentrations of neutral components of the Earth's atmosphere O 2 , N 2 , O and N (solid lines), calculated using the MSISE90 model [40]; concentrations of ions O + , O 2 + , NO + , N + (dashed lines) and electrons (dash-dotted lines), calculated using the IRI2016 model [46]. (Bottom panel): Altitude distributions of temperatures of neutrals (solid line), ions (dashed line) and electrons (dash-dotted line), taken from the MSISE90 [40] and IRI2016 [46] models, respectively. The calculations were performed for September 21, 1999, latitude 65°N and longitude 0°.

Download (240KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2, a. Energy spectra of the descending (upper panel, a) and ascending (lower panel, b) energy fluxes of auroral electrons precipitating with characteristic energy E 0 = 4 keV. Fig. 2, b. Energy spectra of the descending (upper panel, a) and ascending (lower panel, b) energy fluxes of auroral electrons precipitating with characteristic energy E 0 = 1 keV.

Download (617KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Altitude profiles of the downward (blue line) and upward (red line) energy flux of auroral electrons precipitating with characteristic energy E 0 = 4 keV (upper panel) and 1 keV (lower panel). The vertical dotted line shows the energy flux of auroral electrons at the upper boundary Q 0 = 1 erg cm –2 s –1 .

Download (134KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Altitude profiles of the rates of dissociation (black line), ionization (red line) and dissociative ionization (crimson line) of molecular nitrogen by the flux of auroral electrons precipitating with characteristic energy E 0 = 4 keV (upper panel) and 1 keV (lower panel).

Download (153KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Altitude profiles of the formation rate of atomic nitrogen in the ground state 4 S (upper panel) and their energy spectra at an altitude of 130 km (lower panel) during the precipitation of auroral electrons with characteristic energy E 0 = 4 keV (red lines) and 1 keV (blue lines). The vertical line shows the energy barrier for the reaction of atomic nitrogen in the ground state 4 S with molecular oxygen.

Download (142KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6, a. (Top panel): Stationary distribution function of suprathermal nitrogen atoms calculated for the altitude of 130.5 km and the characteristic energy of precipitating electrons E 0 = 4 keV, (Middle panel): Energy spectra of the differential frequency of reaction (6) at the altitude of 130.5 km calculated using the stationary distribution function (black curve) and the source function (4) (blue curve) of suprathermal N( 4 S) atoms. The vertical line shows the energy barrier for reaction (6). (Bottom panel): Altitude profiles of the frequency of reaction (6) calculated using the stationary distribution function (black curve) and the source function (4) (blue curve) of suprathermal N( 4 S) atoms. Fig. 6, b. The same as in Fig. 6a, but for the case of precipitation of auroral electrons with the characteristic energy E 0 = 1 keV.

Download (420KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Altitude profiles of the physical properties of suprathermal nitrogen atoms N(4S): (upper panel) volume concentration, (middle panel) average mass velocity and (lower panel) average kinetic energy. Blue lines correspond to the characteristic energy of precipitating electrons E0 =1 keV, red lines – E0 =4 keV.

Download (299KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. a) Altitude distributions of the volume concentration of NO formed in the thermal (solid curve) and non-thermal (dash-dotted curve) channels. The dotted line shows the altitude profile of the NO concentration from [47]. The altitude profiles correspond to electron precipitation with a characteristic energy of E 0 = 1 keV. b) Altitude distributions of the volume concentration of NO formed in the thermal (solid curve) and non-thermal (dash-dotted curve) channels. The dotted line shows the altitude profile of the NO concentration from [47]. The altitude profiles correspond to electron precipitation with a characteristic energy of E 0 = 4 keV.

Download (188KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. a) Dependence of the maximum concentration of nitric oxide formed in the thermal (left panel) and non-thermal (right panel) channels on the energy flux of precipitating electrons in the atmospheres of terrestrial planets located within the potential habitability zone of active host stars. Red circles correspond to electron precipitation with the characteristic energy E 0 = 1 keV; black crosses — for the case with E 0 = 4 keV. b) Dependence of the vertical column concentration of nitric oxide formed by the thermal (left panel) and non-thermal (right panel) paths on the energy flux of precipitating electrons in the atmospheres of terrestrial planets located within the potential habitability zone of active host stars. Red circles correspond to electron precipitation with the characteristic energy E 0 = 1 keV; black crosses — for the case with E 0 = 4 keV.

Download (347KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».