Фотохимия полярного сияния
Вчера вечером в центральных и северных областях Украины можно было наслаждаться созерцанием полярного сияния. Красного цвета - в отличие от красивых фото с зеленым (а иногда и двухэтажным - красно-зеленым) сиянием:
А вот ниже - (почти) все цвета полярных сияний в одной картинке:
На этой картинке - упрощенная* диаграмма Гротриана для атома кислорода, показывающая энергетические уровни и переходы между ними. А поскольку основной вклад в свет полярного сияния вносит кислород, то на ней показано все, что мы могли увидеть вчера и еще немножко :)
У кислорода, как и у любого приличного атома, основной вклад в излучение вносят переходы на основной уровень (3P2) с первого (1D) и второго (1S) возбужденных состояний. Эти переходы могут быть как разрешены, так и запрещены правалими отбора, разрешенные переходы показаны сплошными стрелками, запрещенные - пунктирными.
Разрешенные переходы нас не интересуют - они в ультрафиолете и мы их не видим.
А вот переход со 2-го возбужденного состояния на первое и дает зеленые полотнища света с Л 558 нм. И переход с первого возбужденного состояния на основное дает красное свечение с Л 636 нм.
Но почему в Украине вчера было видно только красное полярное сияние? - потому что зеленое было ниже горизонта: красным кислород светится на высотах 150-250 км, зеленым на высотах 100-150 км - и из-за кривизны Земли была видна только красная "верхушка" сияния.
Но тогда почему кислород на разных высотах светится разными цветами? Ответ - в комбинации времени жизни возбужденных состояний, плотности атмосферы на разных высотах и химических реакциях.
На диаграмме показаны времена жизни возбужденных состояний - 0.75 сек для 1S и 133.8 сек для 1D.
На высоте атмосфера разрежена и вероятность для состояния 1D за эти 134 секунд отдать энергию излучением значительно выше, чем отдать энергию безизлучательно при столкновении с другим атомом или молекулой - а вот в более плотных низких слоях безизлучательная потеря энергии для становится преобладающей.
А вот для 1S с его временем жизни 0.75 с гашение излучения более плотной атмосферой гораздо меньше.
Плюс на меньших высотах на зеленое излучение работает еще и химия.
Для того, чтобы понять, почему так происходит, надо посмотреть, каким образом при полярном сиянии образуются возбужденные атомы кислорода (как и отдельные атомы из молекул O2)**:
O2 + e -> 2O + e
O2 + e -> O2+ + 2e
O(3P2) + e -> O(1S, 1D) + e
O2+ + e -> 2O(3P2, 1S, 1D) + e
(в скобках даны состояния возбуждения, помним, что O(3P2) - кислород в основном состоянии)
И самое интересное:
N2(основной) + e -> N2(возбужденный)
N2(возбужденный) + O(3P2) -> N2(основной) + O(1S).
То есть "внизу" северного сияния зеленый кислород накачивается энергией через канал возбужденного азота при столкновениях - благо эти столкновения там часты.
Что и обуславливает "двухэтажную" красно-зеленую окраску сияния :)
Примечания:
* да, классическая диаграмма Гротриана выглядит несколько иначе с другими обозначениями - там колонки s, p, d, f в соответствии с орбитальными числами и диагональными запрещенными переходами.
В приведенном посте варианте диаграмма упрощена под спектроскопистов :)
Они любят использовать спектральные термы с основными символами S, P, D, F... , пришедшими из архаичного спектрожаргона (S - sharp, P - principal, D - diffuse), левым индексом мультиплетности и правым j-числом.
** позаимствовано у Björn Gustavsson: тhttps://www2.irf.se/~bjorn/thesis/node5.html
*** Ну и чтобы два раза не ходить: NIST Atomic Spectra Database. Вбиваешь нужный атом, степень ионизации (главное, помнить, что она спектроскопическая, т. е. O I - это неионизированный кислород, а однократно ионизированный - это O II) и получаешь таблицу с уровнями с термами, электронными конфигурациями и J по уровням.
А вот ниже - (почти) все цвета полярных сияний в одной картинке:
На этой картинке - упрощенная* диаграмма Гротриана для атома кислорода, показывающая энергетические уровни и переходы между ними. А поскольку основной вклад в свет полярного сияния вносит кислород, то на ней показано все, что мы могли увидеть вчера и еще немножко :)
У кислорода, как и у любого приличного атома, основной вклад в излучение вносят переходы на основной уровень (3P2) с первого (1D) и второго (1S) возбужденных состояний. Эти переходы могут быть как разрешены, так и запрещены правалими отбора, разрешенные переходы показаны сплошными стрелками, запрещенные - пунктирными.
Разрешенные переходы нас не интересуют - они в ультрафиолете и мы их не видим.
А вот переход со 2-го возбужденного состояния на первое и дает зеленые полотнища света с Л 558 нм. И переход с первого возбужденного состояния на основное дает красное свечение с Л 636 нм.
Но почему в Украине вчера было видно только красное полярное сияние? - потому что зеленое было ниже горизонта: красным кислород светится на высотах 150-250 км, зеленым на высотах 100-150 км - и из-за кривизны Земли была видна только красная "верхушка" сияния.
Но тогда почему кислород на разных высотах светится разными цветами? Ответ - в комбинации времени жизни возбужденных состояний, плотности атмосферы на разных высотах и химических реакциях.
На диаграмме показаны времена жизни возбужденных состояний - 0.75 сек для 1S и 133.8 сек для 1D.
На высоте атмосфера разрежена и вероятность для состояния 1D за эти 134 секунд отдать энергию излучением значительно выше, чем отдать энергию безизлучательно при столкновении с другим атомом или молекулой - а вот в более плотных низких слоях безизлучательная потеря энергии для становится преобладающей.
А вот для 1S с его временем жизни 0.75 с гашение излучения более плотной атмосферой гораздо меньше.
Плюс на меньших высотах на зеленое излучение работает еще и химия.
Для того, чтобы понять, почему так происходит, надо посмотреть, каким образом при полярном сиянии образуются возбужденные атомы кислорода (как и отдельные атомы из молекул O2)**:
O2 + e -> 2O + e
O2 + e -> O2+ + 2e
O(3P2) + e -> O(1S, 1D) + e
O2+ + e -> 2O(3P2, 1S, 1D) + e
(в скобках даны состояния возбуждения, помним, что O(3P2) - кислород в основном состоянии)
И самое интересное:
N2(основной) + e -> N2(возбужденный)
N2(возбужденный) + O(3P2) -> N2(основной) + O(1S).
То есть "внизу" северного сияния зеленый кислород накачивается энергией через канал возбужденного азота при столкновениях - благо эти столкновения там часты.
Что и обуславливает "двухэтажную" красно-зеленую окраску сияния :)
Примечания:
* да, классическая диаграмма Гротриана выглядит несколько иначе с другими обозначениями - там колонки s, p, d, f в соответствии с орбитальными числами и диагональными запрещенными переходами.
В приведенном посте варианте диаграмма упрощена под спектроскопистов :)
Они любят использовать спектральные термы с основными символами S, P, D, F... , пришедшими из архаичного спектрожаргона (S - sharp, P - principal, D - diffuse), левым индексом мультиплетности и правым j-числом.
** позаимствовано у Björn Gustavsson: тhttps://www2.irf.se/~bjorn/thesis/node5.html
*** Ну и чтобы два раза не ходить: NIST Atomic Spectra Database. Вбиваешь нужный атом, степень ионизации (главное, помнить, что она спектроскопическая, т. е. O I - это неионизированный кислород, а однократно ионизированный - это O II) и получаешь таблицу с уровнями с термами, электронными конфигурациями и J по уровням.