Свечение полос первой положительной системы молекулярного азота в полярных сияниях, спрайтах и плазменных диффузных струях

Рассмотрены электронно-возбужденные состояния молекулярного азота, ответственные за свечение верхней атмосферы Земли при высыпании высокоэнергичных частиц (полярные сияния) и во время разрядов между грозовыми облаками и ионосферой (спрайты). Кроме того, анализируется свечение диффузных плазменных струй, возникающих при импульсном разряде в лабораторных условиях.
Поскольку молекулярный азот является основным компонентом атмосферы Земли, то при высыпании высокоэнергичных частиц в верхние слои атмосферы происходят их столкновения с молекулами N2. В результате неупругих взаимодействий возбуждаются различные электронные состояния молекулярного азота. В дальнейшем молекулы переходят в состояния с более низкой энергией, испуская фотоны в различных диапазонах спектра. Эти переходы обусловливают свечение верхней атмосферы, наблюдаемое как полярное сияние.
Аналогичным образом, разряды между грозовыми облаками и ионосферой порождают поток высокоэнергичных электронов. Эти электроны также взаимодействуют с молекулами азота на высотах 40–90 км, вызывая характерное для спрайтов свечение N2. В ходе лабораторных импульсных разрядов были получены диффузные плазменные струи, также имеющие характерные красные оттенки, свойственные спрайтам.
Для описанных физических процессов выполнено моделирование спектров свечения молекулы N2 в желтом, красном и инфракрасном спектральных диапазонах. Показано, что вследствие особенностей вероятностей переходов между электронно-возбужденными состояниями молекул азота (коэффициентов Эйнштейна) в спектре свечения преобладают красные и инфракрасные полосы. Также показано, что такое поведение коэффициентов Эйнштейна связано со значениями факторов перекрывания ядерных волновых функций (факторы Франка-Кондона).
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 25-22-00158).