Нетепловые процессы образования окиси азота при высыпании авроральных электронов в верхние атмосферы планет земного типа

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Окись азота является потенциальным биомаркером в N 2 -O 2 атмосферах экзопланет земного типа, который можно обнаружить с помощью космических миссий, в том числе с помощью планируемой к запуску российской обсерватории Спектр-УФ. Из наблюдений термосферы Земли в полярных областях известно, что важными источниками формирования данной молекулы являются высокоэнергетические высыпания электронов в атмосферу планеты, а также сопровождающие их нетепловые процессы. В работе исследуются нетепловые процессы образования окиси азота в полярных регионах верхней атмосферы Земли, а также атмосферах экзопланет, находящихся в зоне потенциальной обитаемости у активных звезд. Для этого разработаны численная кинетическая модель Монте-Карло взаимодействия высокоэнергичных электронов с атмосферным газом; кинетическая модель Монте-Карло взаимодействия надтепловых атомов N( 4 S), образующихся в результате диссоциации молекул N 2 электронным ударом, с окружающим газом; а также модель химии нечетного азота с молекулярной и турбулентной диффузией. По результатам расчетов подтверждено, что процесс диссоциации N 2 электронным ударом при взаимодействии звездного ветра с атмосферой планеты является важным источником надтепловых атомов N, которые способствуют значительному увеличению нетеплового образования NO в N 2 -O 2 атмосферах планет земного типа (как локально, в случае наличия собственного магнитного поля у планеты, так и по всей поверхности планеты, в случае его отсутствия). Повышение концентрации NO во время вспышек увеличивает наши шансы обнаружить биомаркер NO в атмосферах экзопланет, находящихся в зоне потенциальной обитаемости у активных звезд.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. И. Шематович

Институт астрономии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: shematov@inasan.ru
Россия, Москва

Д. В. Бисикало

Институт астрономии РАН; Национальный центр физики и математики

Email: shematov@inasan.ru
Россия, Москва; Саров

Г. Н. Цуриков

Институт астрономии РАН

Email: shematov@inasan.ru
Россия, Москва

А. Г. Жилкин

Институт астрономии РАН

Email: shematov@inasan.ru
Россия, Москва

Список литературы

  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).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (Верхняя панель): Высотные профили распределения числовых концентраций: нейтральных компонентов атмосферы Земли O 2 , N 2 , O и N (сплошные линии), рассчитанных с помощью модели MSISE90 [40]; концентраций ионов O + , O 2 + , NO + , N + (пунктирные линии) и электронов (штрихпунктирные линии), рассчитанных с помощью модели IRI2016 [46]. (Нижняя панель): Высотные распределения температур нейтралов (сплошная линия), ионов (пунктирная линия) и электронов (штрихпунктирная линия), взяты из моделей MSISE90 [40] и IRI2016 [46], соответственно. Расчеты проведены для 21 сентября 1999 г., широты 65°N и долготы 0°.

Скачать (240KB)
Метаданные
3. Рис. 2, а. Энергетические спектры нисходящего (верхняя панель, а) и восходящего (нижняя панель, б) потоков энергии авроральных электронов, высыпающихся с характеристической энергией Е 0 =4 кэВ. Рис. 2, б. Энергетические спектры нисходящего (верхняя панель, а) и восходящего (нижняя панель, б) потоков энергии авроральных электронов, высыпающихся с характеристической энергией Е 0 =1 кэВ.

Скачать (617KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Высотные профили нисходящего (синяя линия) и восходящего (красная линия) потока энергии авроральных электронов, высыпающихся с характеристической энергией Е 0 = 4 кэВ (верхняя панель) и 1 кэВ (нижняя панель). Вертикальная пунктирная линия показывает поток энергии авроральных электронов на верхней границе Q 0 = 1 эрг см –2 с –1 .

Скачать (134KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Высотные профили скоростей диссоциации (черная линия), ионизации (красная линия) и диссоциативной ионизации (малиновая линия) молекулярного азота потоком авроральных электронов, высыпающихся с характеристической энергией Е 0 = 4 кэВ (верхняя панель) и 1 кэВ (нижняя панель).

Скачать (153KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Высотные профили скорости образования атомарного азота в основном состоянии 4 S (верхняя панель) и их энергетические спектры на высоте 130 км (нижняя панель) при высыпании авроральных электронов с характеристической энергией Е 0 =4 кэВ (красные линии) и 1 кэВ (синие линии). Вертикальная линия показывает энергетический барьер для реакции атомарного азота в основном состоянии 4 S с молекулярным кислородом.

Скачать (142KB)
Метаданные
7. Рис. 6, а. (Верхняя панель): Стационарная функция распределения надтепловых атомов азота, рассчитанная для высоты 130.5 км и характеристической энергии высыпающихся электронов Е 0 =4 кэВ, (Средняя панель): Энергетические спектры дифференциальной частоты реакции (6) на высоте 130.5 км, рассчитанные с использованием стационарной функции распределения (черная кривая) и функции источника (4) (синяя кривая) надтепловых атомов N( 4 S). Вертикальная линия показывает энергетический барьер для реакции (6). (Нижняя панель): Высотные профили частоты реакции (6), рассчитанные с использованием стационарной функции распределения (черная кривая) и функции источника (4) (синяя кривая) надтепловых атомов N( 4 S). Рис. 6, б. То же, что и на рис. 6а, но для случая высыпания авроральных электронов с характеристической энергией Е 0 =1 кэВ.

Скачать (420KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Высотные профили физических свойств надтепловых атомов азота N( 4 S): (верхняя панель) объемной концентрации, (средняя панель) среднемассовой скорости и (нижняя панель) средней кинетической энергии. Синие линии соответствуют характеристической энергии высыпающихся электронов Е 0 =1 кэВ, красные линии — Е 0 =4 кэВ.

Скачать (299KB)
Метаданные
9. Рис. 8. а) Высотные распределения объемной концентрации NO, образованной в тепловом (сплошная кривая) и нетепловом (штрихпунктирная кривая) каналах. Пунктирной линией показан высотный профиль концентрации NO из работы [47]. Высотные профили соответствуют электронным высыпаниям с характеристической энергией E 0 =1 кэВ. б) Высотные распределения объемной концентрации NO, образованной в тепловом (сплошная кривая) и нетепловом (штрихпунктирная кривая) каналах. Пунктирной линией показан высотный профиль концентрации NO из работы [47]. Высотные профили соответствуют электронным высыпаниям с характеристической энергией E 0 =4 кэВ.

Скачать (188KB)
Метаданные
10. Рис. 9. а) Зависимость максимума концентрации окиси азота, образованной в тепловом (левая панель) и нетепловом (правая панель) канале, от потока энергии высыпающихся электронов в атмосферах планет земного типа, находящихся в пределах зоны потенциальной обитаемости у активных родительских звезд. Красные кружки соответствуют высыпаниям электронов с характеристической энергией E 0 =1 кэВ; черные крестики — для случая с E 0 =4 кэВ. б) Зависимость вертикальной лучевой концентрации окиси азота, образованной тепловым (левая панель) и нетепловым (правая панель) путем, от потока энергии высыпающихся электронов в атмосферах планет земного типа, находящихся в пределах зоны потенциальной обитаемости у активных родительских звезд. Красные кружки соответствуют высыпаниям электронов с характеристической энергией E 0 =1 кэВ; черные крестики — для случая с E 0 =4 кэВ.

Скачать (347KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

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».