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.

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

© Российская академия наук, 2024