The Electronic Kinetics of Molecular Nitrogen
and Molecular Oxygen in the Earth’s Middle Atmosphere
during the GLE Events of Solar Cycle 23

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

doi:10.31857/S0016794022060062

The Electronic Kinetics of Molecular Nitrogen and Molecular Oxygen in the Earth’s Middle Atmosphere during the GLE Events of Solar Cycle 23

Authors: Kirillov A.S.¹, Belakhovskii V.B.¹, Maurchev E.A.¹, Balabin Y.V.¹, Germanenko A.V.¹, Gvozdevskii B.B.¹
Affiliations:
1. Polar Geophysical Institute (PGI)
Issue: Vol 63, No 1 (2023)
Pages: 94-103
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0016-7940/article/view/134702
DOI: https://doi.org/10.31857/S0016794022060062
EDN: https://elibrary.ru/ADCFJJ
ID: 134702

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Based on models of the electronic kinetics of triplet and singlet states of molecular nitrogen and
singlet states of molecular oxygen for the Earth’s middle atmosphere, we calculated the intensity profiles of
the bands of the first and second positive N2 systems, the Lyman–Birge–Hopfield N2 bands, and the infrared
O2 bands in the case of precipitation of high-energy protons during the GLE65, GLE67, GLE69, and GLE70
events of solar cycle 23. Calculations have shown that almost over the entire interval of altitudes of 20–80 km,
there is a significant contribution from the processes of quenching some electronically excited states of N2
and O2 during molecular collisions. The kinetics of O2 singlet states at the altitudes of the middle atmosphere
during proton precipitation is considered taking into account both direct excitation by high-energy particles
and intermolecular processes of electron excitation transfer

References

– Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука. 462 с. 1975.
– Кириллов А.С. Расчет констант скоростей взаимодействия синглетного и триплетного колебательно-возбужденного молекулярного кислорода // Квантовая электроника. Т. 42. № 7. С. 653–658. 2012.
– Кириллов А.С., Белаховский В.Б. Свечение полос молекулярного азота в атмосфере Земли во время высыпания высокоэнергичных электронов // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. № 1. С. 93–98. 2020а.
– Кириллов А.С., Белаховский В.Б. Свечение полос Лаймана–Бирджа–Хопфилда N2 в атмосфере Земли во время высыпания высокоэнергичных электронов // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. № 6. С. 796–802. 2020б.
– 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.
– 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 // Известия 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 // Известия 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.
– Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы – индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 740 с. 2006.
– 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.
– Bates D.R. Oxygen band system transition arrays // Planet. Space Sci. V. 37. № 7. P. 881–887. 1989.
– 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.
– Casassa M.P., Golde M.P. Vacuum UV emission by electronically-excited N2: The radiative lifetime of the N2(
– Dunlea E.J., Talukdar R.K., Ravishankara A.R. Kinetic studies of the reactions of O2() with several atmospheric molecules // J. Phys. Chem. A. V.109. № 17. P. 3912–3920. 2005.
– Gilmore F.R., Laher R.R., Espy P.J. Franck-Condon factors, r-centroids, electronic transition moments, and Einstein coefficients for many nitrogen and oxygen band systems // J. Phys. Chem. Ref. Data. V. 21. № 5. P. 1005–1107. 1992.
– Khachatrian A., Wouters E.R., Gudipati M.S., Ginter M.L., Copeland R.A. Temperature dependent collisional energy transfer of N2 (a1Πg and
– Kirillov A.S. The study of intermolecular energy transfers in electronic energy quenching for molecular collisions N2–N2, N2–O2, O2–O2 // Ann. Geophysicae. V. 26. № 5. P. 1149–1157. 2008.
– Kirillov A.S. Excitation and quenching of ultraviolet nitrogen bands in the mixture of N2 and O2 molecules // J. Quan. Spec. Rad. Tran. V. 112. № 13. P. 2164–2174. 2011.
– Kirillov A.S. The calculations of quenching rate coefficients of O2(, v) in collisions with O2, N2, CO, CO2 molecules // Chem. Phys. V. 410. P. 103–108. 2013.
– Kirillov A.S. Intermolecular electron energy transfer processes in the quenching of N2(C3Πu, v = 0–4) by collisions with N2 molecules // Chem. Phys. Lett. V. 715. P. 263–267. 2019.
– Kirillov A.S., Belakhovsky V.B. The kinetics of N2 triplet electronic states in the upper and middle atmosphere during relativistic electron precipitations // Geophys. Res. Lett. V. 46. № 13. P. 7734–7743. 2019.
– Kirillov A.S., Belakhovsky V.B. The kinetics of O2 singlet electronic states in the upper and middle atmosphere during energetic electron precipitation // J. Geophys. Res. – Atmosphere. V. 126. № 5. e2020JD033177. 2021. https://doi.org/10.1029/2020JD033177
– Krupenie P.H. The spectrum of molecular oxygen // J. Phys. Chem. Ref. Data. V.1. № 2. P. 423–534. 1972.
– Marinelli W.J., Kessler W.J., Green B.D., Blumberg W.A.M. Quenching of N2(a1Πg,
– Piper L.G. Quenching rate coefficients for N2(
– Piper L.G. Energy transfer studies on N2(, v) and N2(B3Πg) // J. Chem. Phys. V. 97. № 1. P. 270–275. 1992.
– 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.
– 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. Phys. V. 71. № 10–11. P. 1176–1189. 2009.
– Umemoto H. Selective production and kinetic analysis of thermally equilibrated N2(B3Πg, v = 0) and N2(W3Δu,v = 0) // Phys. Chem. Chem. Phys. V. 5. № 24. P. 5392–5398. 2003.
– Umemoto H., Oku M., Iwai T. Collisional intersystem crossing of N2(
– 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.