0254-6124/2020/40(6)-1039-07 Chin. J. Space Sci. 空间科学学报
YANG Xiaojun, WANG Houmao, WANG Yongmei. Simulation and analysis on volume emission rate and limb radiation intens 计y of airglow at oxygen A(0, 0) band (in Chinese). Chin. J. Space Sci., 2020, 40(6): 1039-1045. D01:10.11728/cjss2020.06.1039
氧气A(0, 0)波段气辉体发射率和临边
辐射强度模拟与分析
**国家自然科学基金项目资助(41704178)
2019-04-15收到原稿，2019-09-29收到修定稿
E-mail: ****************
杨晓君喘阳 王后茂3"王咏梅卩3,4
1(中国科学院国家空间科学中心北京100190)2(中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049)
3(天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190)4(中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京1
00190)
摘要 临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响，而气辉的
辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A(0, 0)波段气辉的体发射率和临边辐射 强度.基于氧气A(0, 0)波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论，建立产生02(2£才)的光化
学模型.计算气辉体发射率，基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC 模型结 果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果，对氧气A 波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了 分析.
关键词 氧气A 波段，气辉，体发射率，光化学，辐射强度
中图分类号P352
Simulation and Analysis on Volume Emission Rate
and Limb Radiation Intensity of Airglow
at Oxygen A(0, 0) Band
YANG Xiaojun 1,2,3,4 WANG Houmao 1,3,4 WANG Yongmei 1,2,3,4
1 (National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)
2(School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)
^Beijing Key Laboratory of Environment Exploration, Beijing 100190)
4(Key Laboratory of Environmental Space Situation Awareness Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)
Abstract Atmospheric parameters in near space (temperature, density, wind field, etc.) have
a great influence on the accuracy of the model prediction and the safety of spacecraft operation.
1040Chin.J.Space Sci.空间科学学报2020,40(6)
Airglow simulation is an indispensable aspect of the inversion of the atmospheric parameteT.In this paper,the Volume Emission Rate(VER)and limb radiation intensity of oxygen A(0,0)band airglow are calculated based on the photochemical model.Firstly,the photochemical model O2(b1S^_)was established based on the theory of atmospheric dynamics,photochemical reaction mechanism,and photochemistry.Then,the VER of O2A-band was calculated,and the limb radiation intensity of airglow is Simula t ed using a geome t rie path integral along the line of sight.The simulation radiation and its corresponding height are both consistent with the results of AURIC model.Finally,based on the results of the simulation,the influence factors of VER and radiation of oxygen A-band airglow are analyzed.
Key words Oxygen A-band,Airglow,Volume Emission Rate(VER),Photochemistry,
Radiation intensity
0引言
临近空间大气影响空间天气预报及航天器发射与再入轨过程的安全性预估对临近空间大气的观测与研究具有重要的科学意义和军事应用价值關.近年来，中国航空航天技术得到飞速发展，因此对临近空间大气探测的需求也越来越多.临近空间大气星载被动光学探测主要是基于大气中自然发光的介质(如气辉)进行的，具有全天时全天候的探测优势.
氧气A(0,0)气辉是观测到的可见和近红外气辉光谱中亮度最强的光谱之一，光谱波长区域约为759~767nm，其日气辉主要位于40〜200km的高度范围，而夜气辉的产生区域比较小，主要集中在大约80-100km的高度范围.氧气A(0,0)波段具有较大的辐射强度，被广泛应用于高层大气遥感，但是不能直接用于地表的观测，这是因为其在70km以下存在较强的自吸收〔旺
。2(1£)的产生机制是通过火箭观测试验中光谱仪和光度计的观测结果建立的⑷，后来被应用于Dynamics Explorer2的法布里-珀罗干涉仪进行大气参数观测回.美国空间物理研究实验室基于搭载在UARS卫星上的高分辨率多普勒成像仪HRDI (The high-resolution Doppler imager)I6-8)，通过观测氧A波段的发射谱线进行温度测量,UARS卫星上的风成像干涉仪(WINDII)®]对风速、温度和发射率进行了测量.搭载在TIMED卫星上的TIDI多普勒成像仪基于。2(吃)发射谱对上层大气风场和温度进行了遥感观测[⑼.国际空间站Kibo实验舱同中的远程大气和电离层探测系统(RAIDS)测量了。2(吃)(0,0),(0,1)和(1,1)在80〜180km高度范围内的气辉发射谱.2001年2月20日Odin卫星上的光谱仪和红外成像系统(OSIRIS)!11'12!通过对氧气A带发射光谱的探测，得到中间层和低热层区域(MLT)的温度.90km高度附近温度反演的精度约为±2K，更高范围的精度约为±6K.
基于光化学反应机理，描述O2(b】£扌)的产生和损耗，建立产生氧气A(0,0)气辉的光化学模型，阐述气辉辐射传输的过程，建立正演模型，同时基于模型进行影响因素分析，包括温度和自吸收等.
1基本原理
1.1光化学模型
光化学模型是以光化学反应作为基本原理，联合大气动力学和光化学理论，描述大气成分浓度与体发射率之间关系的微分方程.氧气分子吸收光子后处于激发态，根据能量的不同，氧气可以通过太阳光解、太阳激发、碰撞湮灭产生激发态的氧气分子O2(b吃扌)，进而辐射出762nm的光谱，即氧气A(0,0)波段气辉.02(^2+)产生机制主要有三种：大气共振散射，基态氧气通过与氧气及臭氧光解产生的原子氧碰撞湮灭，Barth化学反应MN].得到O2(^£+)并产生A波段的过程如图1所示【12]，其中J,g,k为反应系数.
第一种机制里共振散射是由太阳激发导致的，氧气分子在太阳光照下吸收光子后处于激发态，进而再辐射出光谱.反应方程式如下：
C>2+/i"(762nm)T O2(bi£扌)g.(1)
杨晓君等：氧气A(0,0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析1041
图1氧气A(0,0)波段气辉产生过程
Fig.1Processes that oxygen A-band
airglow production
式(1)中,g为激发系数.
第二种机制中O2(b吃扌)是由0(5)碰撞湮灭反应得到的.反应方程式如下：
0(】D)+O2t O2(b吃扌)+O(3P)fc D,o2.(2)式⑵中，反应率fc Di o2=2.9x 10-%67/T(cnAs-i).
低热层以下O(】D)的主要产生机制是Schumann-Runge区氧气的光解和Hartley区臭氧的分解，有过程中发生的反应为
C»2(b吃扌)T02+加(762nm)A s,(8)
O2(b£R+M->O2+M,Af=N2,O2.(9)
损耗过程中发出的762 nm辐射即为氧气A(0,0)波段气辉,Az为自发辐射系数，通常为常数.A(0,0)波段的体发射率为
4O2(ie)(z)=F c Asn O2^b i s+^.(10)
其中，F c为A(0,0)波段的Frank-Condon因子【切.
1.2辐射传输过程
氧气A(0,0)波段产生转动谱线时会发岀光子，波数“处的特定转动谱线发出的光子数可以表示为fDrj,f为谱线强度，D为多普勒线型，7?为体发射率.谱线强度是温度的函数，即
1.439E'(T—Xef)
TT rei(11)
/ref为参考温度Tref=296K时的谱线强度,E'为转动谱线的上能级能量.以址为谱线中心的多普勒线
02+h吩<176nm)T O(X D)+O(3P),(3)
O2+h巩><310nm)T0(5)+0,(4)臭氧也可以直接分解得到O2(b£扌)激发态，但生成率非常低，可忽略不计.
第三种机制是Barth化学反应.实际上夜气辉的产生是Chapman过程还是Barth过程一直存在争议.本文夜气辉模型中的化学来源符合Barth机制，许多证据也与此观点一致U-16].其过程包括两部分：第一部分是两个氧原子与一个氮气分子或者氧气分子之间的三体碰撞；第二部分是激发态氧气分子发生碰撞湮灭反应，产生激发态02(b吃扌).型为
OLD=—
C
“C
(12)
(13)其中、k为玻尔兹曼常数,c为光速,m为氧气分子量.
在某一点沿视线积分得到考虑自吸收后的透过率，有
r(v,s)=exp n(s，)<r(s，)D(u,s，)ds]
(14)
0+0+A/t0；+M,
0$+。2T。2(吃)+02.⑹
其中，M=02,N2，反应系数k5= 4.7x (300/T)2acm6・si,k6= 5.0x IO"13/?crabs'率因子=0.&0$还可以发生如下反应：10-33
-1，效0$+0 T。2+0.(7)其中,s为视线路径,n(s)为氧气数密度,<7为吸收截面，其表达式为
O ref丁exp
1.439E"(T_Tref)
TT re f
(15)
其中,E"为转动谱线下能级的能量,Sef为参考温度下的吸收截面.
综上所述，卫星观测到的光谱亮度可以从切点高度Zt沿视线进行路径积分得到，有
其中，反应系数伽=3x1(厂11cm3-s_1.
02^!£+)的损耗过程包含两种机制，一是自发辐射，二是与大气中性分子(这里只考虑含量最大的两种成分N2和02)发生碰撞湮灭.。2(2茗)损耗
*00
B(u,zt)=77(s)/(s)Z>(v,s)-
—oo
exp[-*oo ds.
(16)
1
1042
Chin. J. Space Sci. 空间科学学报 2020, 40(6)由式(16)可知.光谱辐射主要由氧气体发射率和温 度决定，而光谱辐射对温度的依赖主要是由于温度对 自吸收截面的影响导致的［18］-
2模拟结果与讨论2.1体发射率模拟计算
2.1.1夜气辉体发射率模拟
图2给出了基于氧气A(0, 0)波段的辐射机 制计算得到的夜气辉体发射率和AURIC 计算结
果.AURIC 是目前比较权威的中高层大气气辉辐
射模拟研究通用模型［询.由图2可以看出，二 者的数值量级和高度分布范围基本吻合，夜气辉主 要产生在80〜10()km 的高度范围内，峰值则出现
在90〜95km 附近.80-90km 高度范围内的夜气 辉模型模拟结果与AURIC 模拟结果吻合度较高，而
在90-100km 存在一些偏差，主要原因是：本文模拟 过程中将式⑹中O$的与式⑺中0$的能级当作
同一能级，而实际上未知氧气激发态能级尚未确定, 是否为同一能级还存在争议，也有研究推测式(6)与 式(7)中的未知激发态0$为同一能级，但振动能级
不同，后续研究将把更精确的化学机制纳入夜气辉模
型中.
由式(5)-(7)可得，Barth 过程需要氧原子参
与反应，因此其分布范围与氧原子的分布存在直接
关系.夜间氧原子浓度在80km 以下基本为零，这 导致激发态氧气分子O2(b 】E 扌)产生率也基本为零. 在100km 以上，随着反应物即氧原子浓度和氧气浓
度的降低及温度升高，反应系数减小，激发态氧气分
子。2(2£才)的产生率也逐渐降低，进而导致夜气辉 体发射率降低.
图3给出了夜气辉的两个影响因素(氧原子浓
度和温度)对体发射率的影响，初始O 浓度和温度
廓线数据均来自MISIS-00模型a 。】.图3(a)模拟
了氧原子浓度廓线10%递增时体发射率的变化.由 图3(a)可以看出、体发射率随着浓度的增加而增加, 其中90 km 附近体发射率单次增幅在8%〜15%左右.
图3(b)模拟了体发射率随温度的变化.由图3(b)可
以看出，夜气辉体发射率随温度的升高而降低，温度 递增10K 时体发射率单次降幅在7%〜10%左右.体
发射率与温度成反比主要是反应系数与温度成反比reaction rate
造成的.
o o o o o o o
o
4321098760
5040
103104IO 5
Volume emission rate/(cm 3s *)
图2夜气辉模型与AURIC 体发射率模拟值的对比
Fig. 2 Comparison of the simulations of night airglow
model and those of AURIC model
120
E w
tu p r l
三一
v
o o o
109 00
—Initial density ofO(Do) ~
1」D )
—
1.2D ()—1.3D ()™ 1.4£>()■ 1.5 D ()
120
o
o o
109—Initial temperature (G)
心+lOK ' —7o + 20K —r o +30K —r n + 40K ■ r o + 50K 80
o
70
60 1 03 1 04 1 05
Volume emission rate/(cm 3-s ')
70
60!--------------------——------------------------------103 104 105
Volume emission rate/(cm 3s *)
图3夜气辉体发射率随氧原子浓度(a)和温度(b)的变化
Fig. 3 Simulated profiles of nightglow VER (Volume Emission Rate) varying with oxygen atom
concentration (a) and temperature
(b)
杨晓君等：氧气A(0, 0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析1043
2.1.2日气辉体发射率模拟结果
图4为针对日气辉三种机制分别进行数值模拟 得到的体发射率及总体发射率，与文献⑷的研究结
果吻合.由图4可知，日气辉在40-100km 高度范 围内体发射率相对较强.由共振散射获得的体发射 率覆盖了 30-130km 的高度范围；30km 以下由于光 学厚度迅速增加，太阳紫外辐射难以到达近地面，从 而使低空太阳光解系数变得很小；130km 以上高度
的光学厚度很小甚至可以忽略不计，但是反应物浓 度迅速变低，体发射率也随之变低.此外，由氧气和
臭氧光解产生的日气辉体发射率峰值分别在100 km 和40 km 左右，这是氧气、氮气和臭氧数密度分布共
同作用的结果.
2.1.3日气辉总体发射率与太阳天顶角的关系
日气辉的产生机制与太阳辐射强度关系密切，因
此太阳天顶角是日气辉的重要影响因素之一.氧
气A 波段体发射率随太阳天顶角的变化而变化, 天顶角的变化影响了光化学反应系数，进而影响
T O2(b 吃扌)产生率.如图5所示，气辉体发射率随
太阳天顶角增加而减小，而在90 km 附近随太阳天顶
角变化最不明显，这是因为9()km 处的Barth 效应与 太阳辐射无关.当太阳天顶角为0时，受到太阳光照
发生强烈的太阳光解，因此体发射率相对较强.2.2辐射强度模拟
2.2.1不同温度的氧气A(0, 0)波段辐射强度
图6给出了切点高度85km 处不同温度下氧气
A(0, 0)波段发射光谱的模拟结果、包括759~767nm
内的99条谱线.其中谱线带宽可以由式(13)计算得
o o o o o
o o o o o o o O 1
4321098765432Volume emission rate/(cm 3 s *)
E k 一 U P 2
三
V
图4模拟得到的日气辉氧气A(0, 0)波段体发射率廓线
Fig. 4 Oxygen A(0, 0) band volume emission rate
profile obtained by numerical simulation 岀，其与温度和谱线中心波长有关.如图6所示，将模
拟得到的不同温度下的发射谱线与半高宽(FWHM) 为20cm -的仪器函数进行卷积，模拟仪器观测到的 光谱辐射，这些光谱均根据100 K 时的辐射强度最大 值进行归一化.由图6可知，当温度升高时.发射光
谱中高转动能级的粒子数变多，整体表现为光谱带中
心处的辐射强度减弱，而辐射光谱两侧的辐射强度则 相对增强.这表明不同的温度决定了不同的光谱辐
射形状，可以根据不同谱线的辐射强度进行大气温度
反演.
2.2.2不同切点高度下氧气A(0, 0)波段
辐射强度
图7给出了不同切点高度的辐射强度模拟，谱
线中心约为762.538nm.图7的模拟结果与文献[21]
102
IO 3104 105106
Volume emission rate /(cm 3 s )
图5不同太阳天顶角下日气辉体发射率廓线
Fig. 5 Dayglow VER as a function of solar zenith angle
8
6 4 2
L O.0
0 O Atsuulu 一 u o
二
.s p e o:
759 760761762 763 764 765 766 767
Wavelength / nm
图6正演模型模拟85 km 高度处归一化
氧气A 带发射光谱
Fig. 6 Normalized oxygen A-band emission spectra at
85 km height obtained by the forward
model
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