Колебательная и электронная кинетика N2 в средней атмосфере Земли при высыпании высокоэнергичных протонов

Солнечные протоны играют важную роль в атмосфере Земли. Частицы обычно характеризуются мягкими энергетическими спектрами (энергии порядка нескольких сотен МэВ), но иногда наблюдаются релятивистские энергетические протоны. Они обнаруживаются наземными нейтронными мониторами, размещенными в полярных областях, как Ground Level Enhancements (GLE). Использование данных сети нейтронных мониторов позволяет определять спектры высокоэнергетических протонов, выбрасываемых в атмосферу Земли. Высыпания высокоэнергичных частиц вызывает увеличение нечетных азота NOx и нечетного водорода HOx на высотах высокоширотной атмосферы за счет каскада процессов диссоциации, ионизации и рекомбинации. Это в свою очередь может привести к тому, что во время солнечных протонных событий высыпания частиц в атмосферу приводят истощению озонового слоя в средней атмосфере.
Мы рассмотрели механизмы образования электронно-возбужденных и колебательно-возбужденных молекул N2 на высотах средней атмосферы при высыпании высокоэнергетических протонов. Расчеты выполнены для событий GLE65 (28.10.2003), GLE67 (02.11.2003), GLE69 (20.01.2005). Основные результаты этих расчетов следующие.
1. Показано, что высотные профили объемных интенсивностей излучения полос первой положительной системы 669 нм и 749 нм показывают значительное уменьшение по сравнению с интенсивностью излучения полосы второй положительной системы 337 нм на высотах средней атмосферы Земли. Уменьшение можно объяснить эффективным тушением состояния B3Πg в молекулярных столкновениях с молекулами N2 и O2.
2. Исследование колебательных населенностей N2(X1Σg+,v>0) во время события GLE69 на высотах средней атмосферы показало различные основные механизмы в возбуждении N2. Во-первых, возбуждение вторичными электронами является принципиальным для всех колебательных уровней. Во-вторых, получается, что процесс внутримолекулярного переноса энергии с метастабильного состояния при N2(A3Σu+,v'=0-5) + N2 столкновениях доминирует в колебательном возбуждении высоких колебательных уровней v=20-30 основного состояния X1Σg+ молекулярного азота. Колебательно-возбужденные молекулы азота могут играть очень важную роль в колебательном возбуждении парниковых газов и в балансе инфракрасного излучения средней атмосферы Земли во время возмущений.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-77-10018) «Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве, и их воздействие на атмосферу Арктики»