Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68095610.31857/S0207401X24100094Химическая физика атмосферных явленийResearch ArticleInteraction of sodium atoms with molecular nitrogen in the upper atmosphere of the earthВзаимодействие атомов натрия с молекулярным азотом в верхней атмосфере землиUmanskiiS. Y.УманскийС. Я.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruAdamsonS. O.АдамсонС. О.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruVetchinkinA. S.ВетчинкинА. С.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruGolubkovG. V.ГолубковГ. В.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruDeminskiiM. A.ДеминскийМ. А.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruOlkhovO. A.ОльховО. А.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruStepanovI. G.СтепановИ. Г.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruChaikinaY. A.ЧайкинаЮ. А.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruShushinA. I.ШушинА. И.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruGolubkovM. G.ГолубковМ. Г.
Russian Federation
golubkov@chph.ras.ruSemenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of SciencesФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наукNational Research Center “Kurchatov Institute”Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”Kintech LabООО “Кинтех Лаб”Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наукSemenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences15102024431010011429052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/680956

In recent years numerous satellite data on the yellow glow of the sodium layer (located at an altitude of 85–95 km from the Earth’s surface) have become available. Studies of optical activity at sodium D-line frequencies are necessary for a better understanding of the plasma-chemical processes occurring in the mesosphere. It should be taken into account that these processes occur in a neutral environment, where the molecular nitrogen is general component. In this work the analytical numerical expressions for the elements of 3´3 matrix of interaction between Na(2Pj) and N2(X 1Sg+) and interaction potential between Na(2S1/2) and N2(X 1Sg+) were obtained at medium and large interpartical distances that determine radiation lines collisional broadening. The exchange, quadrupole–quadrupole, dispersion, and spin–orbit interactions were taken into account. Exchange interaction between the valence Na electron and N2(X 1Sg+) molecule was described by the local Hellman pseudopotential. The effect of the overlap between Na(2S1/2, 2Pj) and N2(X 1Sg+) electron densities was taken into account evaluating long-range quadrupole–quadrupole and dispersion interactions.

В последние годы в большом объеме стали доступны спутниковые данные по желтому свечению натриевого слоя, находящегося на высоте 85–95 км от поверхности Земли. Исследования оптической активности на частотах D-линий натрия необходимы для лучшего понимания плазмохимических процессов, протекающих в мезосфере. Следует учитывать, что эти процессы протекают в нейтральной среде, основным компонентом которой является молекулярный азот. В данной работе получены аналитические численные аппроксимации для элементов 3 × 3-матрицы взаимодействия между Na(2Pj) и N2(X 1Sg+) и потенциала взаимодействия между Na(2S1/2) и N2(X 1Sg+) на больших и средних расстояниях между частицами, которые определяют столкновительное уширение спектральных линий. Учтены обменное, квадруполь-квадрупольное, дисперсионное и спин-орбитальное взаимодействия. Обменное взаимодействие между валентным электроном Na и N2(X 1Sg+) описано локальным псевдопотенциалом Гельмана. При расчете дальнодействующих квадруполь-квадрупольного и дисперсионного взаимодействий учитывался эффект перекрытия электронных плотностей Na(2S1/2,2Pj) и N2(X 1Sg+).

sodium layerbroadeningsymmetryelectron densityexchange interactionirreducible quadrupole-quadrupole interactiondispersion interactionнатриевый слойуширениесимметрияэлектронная плотностьобменное взаимодействиеквадруполь-квадрупольное взаимодействиедисперсионное взаимодействиеM.G. Golubkov, A.V. Dmitriev, A.V. Suvorova, and G.V. Golubkov, Russ. J. Phys. Chem. B 16, 537 (2022). https://doi.org/10.1134/S199079312203006XГолубков М.Г., Дмитриев А.В., Суворова А.В. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 5. C. 84; https://doi.org/10.31857/S0207401X22050065V.L. Frolov, Y.Y. Kulikov, and A.V. Troitsky, Russ. J. Phys. Chem. B 16, 965 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122050190Фролов В.Л., Куликов Ю.Ю., Троицкий А.В. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 10. С. 38; https://doi.org/10.31857/S0207401X22100053G.V. Golubkov, S.O. Adamson, O.P. Borchevkina, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 16, 508 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122030058Голубков Г.В., Адамсон С.О., Борчевкина О.П. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 5. С. 53; https://doi.org/10.31857/S0207401X22050053N.V. Bakhmetieva and I.N. Zhemyakov, Russ. J. Phys. Chem. B 16, 990 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122050177Бахметьева Н.В., Жемяков И.Н. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 10. С. 65; https://doi.org/10.31857/S0207401X2210003XB.R. Clemesha, Adv. Sp. Res. 10, 59 (1990). https://doi.org/10.1016/0273-1177(90)90010-WClemesha B.R. // Adv. Sp. Res. 1990. V. 10. № 10. P. 59; https://doi.org/10.1016/0273-1177(90)90010-WB.R. Clemesha, P.P. Batista, D. M. Simonich, and I.S. Batista, J. Geophys. Res. Atmos 109, D11306 (2004). https://doi.org/10.1029/2003JD004496Clemesha B.R., Batista P.P., Simonich D.M. et al. // J. Geophys. Res. Atmos. 2004. V. 109. D11306; https://doi.org/10.1029/2003JD004496D.R. Marsh, D. Janches, W. Feng, and J. M. C. Plane, J. Geophys. Res. Atmos. 118, 11442 (2013). https://doi.org/10.1002/jgrd.50870Marsh D.R., Janches D., Feng W. et al. // J. Geophys. Res. Atmos. 2013. V. 118. № 19. P. 11442; https://doi.org/10.1002/jgrd.50870J.M.C. Plane, W. Feng, and E. C. M. Dawkins, Chem. Rev. 115, 4497 (2015). https://doi.org/10.1021/cr500501mPlane J.M.C., Feng W., Dawkins E.C.M. // Chem. Rev. 2015. V. 115. № 10. P. 4497; https://doi.org/10.1021/cr500501mM.P. Langowski, C. von Savigny, J. P. Burrows, et al., Atmos. Meas. Tech. 9, 295 (2016). https://doi.org/10.5194/amt-9-295-2016Langowski M.P., von Savigny C., Burrows J.P. et al. // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. № 1. P. 295; https://doi.org/10.5194/amt-9-295-2016Y.B. Kumar, P.V. Prasanth, D.N. Rao, et al., Earth, Planets Sp. 59, 601 (2007); https://doi.org/10.1186/BF03352722Kumar Y.B., Prasanth P.V., Rao D.N. et al. // Earth, Planets Sp. 2007. V. 59. № 6. P. 601; https://doi.org/10.1186/BF03352722C.S. Gardner and A.Z. Liu, J. Geophys. Res. Atmos. 115, D20302 (2010). https://doi.org/10.1029/2010JD014140Gardner C.S., Liu A.Z. // J. Geophys. Res. Atmos. 2010. V. 115. D20302; https://doi.org/10.1029/2010JD014140N. Moussaoui, B.R. Clemesha, R. Holzlöhner, et al., Astron. Astrophys. 511, A31 (2010). https://doi.org/10.1051/0004-6361/200913281Moussaoui N., Clemesha B.R., Holzlöhner R. et al. // Astron. Astrophys. 2010. V. 511. № 3. A31; https://doi.org/10.1051/0004-6361/200913281Y. Xun, G. Yang, J. Wang, et al., Atmosphere 11, 284 (2020); https://doi.org/10.3390/atmos11030284Xun Y., Yang G., Wang J. et al. // Atmosphere. 2020. V. 11. № 3. 284; https://doi.org/10.3390/atmos11030284X. Cheng, G. Yang, T. Yuan, et al., Remote Sens. 12, 3678 (2020). https://doi.org/10.3390/rs12223678Cheng X., Yang G., Yuan T. et al. // Remote Sens. 2020. V. 12. № 22. 3678; https://doi.org/10.3390/rs12223678
15. Clemesha B.R., Martins Jorge M.P.P., Simonich D.M. et al. // Adv. Sp. Res. 1997. V. 19. № 4. P. 681; https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)00163-4B.R. Clemesha, M.P.P. Martins Jorge, D. M. Simonich, and P.P. Batista, Adv. Sp. Res. 19, 681 (1997). https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)00163-4Allard N., Kielkopf J. // Rev. Mod. Phys. 1982. V. 54. № 4. P. 1103; https://doi.org/10.1103/RevModPhys.54.1103N. Allard and J. Kielkopf, Rev. Mod. Phys. 54, 1103 (1982). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.54.1103Demura A.V., Umanskii S.Y., Scherbinin A.V. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2012. V. 397. № 1. 012033; https://doi.org/10.1088/1742-6596/397/1/012033A.V. Demura, S.Y. Umanskii, A.V. Scherbinin, and A.V. Zaitsevskii, J. Phys. Conf. Ser. 397, 012033 (2012). https://doi.org/10.1088/1742-6596/397/1/012033Уманский С.Я., Адамсон С.О., Ветчинкин А.С. и др. // Хим.физика. 2023. Т. 42. № 4. C. 31 ; https://doi.org/10.31857/S0207401X23040143S.Y. Umanskii, S. O. Adamson, A. S. Vetchinkin, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 17, 346 (2023). https://doi.org/10.1134/S199079312302032XBottcher C. // Chem. Phys. Lett. 1975. V. 35. № 3. P. 367 ; https://doi.org/10.1016/0009-2614(75)85621-1C. Bottcher, Chem. Phys. Lett. 35, 367 (1975). https://doi.org/10.1016/0009-2614(75)85621-1Habitz P. // Chem. Phys. 1980. V. 54. № 1. P. 131; https://doi.org/10.1016/0301-0104(80)80043-7P. Habitz, Chem. Phys. 54, 131 (1980). https://doi.org/10.1016/0301-0104(80)80043-7Archirel P., Habitz P. // Chem. Phys. 1983. V. 78. № 2. P. 213; https://doi.org/10.1016/0301-0104(83)85108-8P. Archirel and P. Habitz, Chem. Phys. 78, 213 (1983). https://doi.org/10.1016/0301-0104(83)85108-8Poppe D., Papierowska-Kaminski D., Bonačić-Koutecký V. // J. Chem. Phys. 1987. V. 86. № 2. P. 822; https://doi.org/10.1063/1.452761D. Poppe, D. Papierowska-Kaminski, and V. Bonačić-Koutecký, J. Chem. Phys. 86, 822 (1987). https://doi.org/10.1063/1.452761Goldstein R.,Grosser J., Hoffmann O. et al. // J. Chem. Phys. 2001. V. 114. № 5. P. 2144; https://doi.org/10.1063/1.1337060R. Goldstein, J. Grosser, O. Hoffmann, et al., J. Chem. Phys. 114, 2144 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1337060Jungen M. // Helv. Chim. Acta. 2001. V. 84. № 6. P. 1459; https://doi.org/10.1002/1522-2675(20010613)84: 6<1459::AID-HLCA1459>3.0.CO;2-JM. Jungen, Helv. Chim. Acta 84, 1459 (2001). https://doi.org/10.1002/1522-2675(20010613)84: 6<1459::AID-HLCA1459>3.0.CO;2-JFigl C., Goldstein R., Grosser J. et al. // J. Chem. Phys. 2004. V. 121. № 22. P. 11068; https://doi.org/10.1063/1.1818121C. Figl, R. Goldstein, J. Grosser, O. Hoffmann, and F. Rebentrost, J. Chem. Phys. 121, 11068 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1818121Rebentrost F., Figl C., Goldstein R. et al. // J. Chem. Phys. 2008. V. 128. № 22. P. 1; https://doi.org/10.1063/1.2928716F. Rebentrost, C. Figl, R. Goldstein, et al., J. Chem. Phys. 128, 1 (2008). https://doi.org/10.1063/1.2928716Nikitin E.E., Umanskii S.Y. Theory of slow atomic collisions. V.30. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1984; https://doi.org/10.1007/978-3-642-82045-8E. Nikitin and S. Y. Umanskii, Theory of slow atomic collisions (Springer, Heidelberg, 1984). https://doi.org/10.1007/978-3-642-82045-8Nikitin E.E., Umanskii S.Y. // Theor. Chim. Acta. 1973. V. 28. № 2. P. 121; https://doi.org/10.1007/BF00528656E. E. Nikitin and S. Y. Umanskii, Theor. Chim. Acta. 28, 121 (1973). https://doi.org/10.1007/BF00528656Reznikov A.I., Umanskii S.Y. // Russ. J. Phys. Chem. 2002. V. 76. № S1. P. S13.A. I. Reznikov and S. Y. Umanskii, Russ. J. Phys. Chem. 76, S13 (2002).Резников А.И., Уманский С.Я., Чайкина Ю.А. // Хим. физика. 2007. Т. 26. № 7. С. 14.A. I. Reznikov, S. Y. Umanskii, and Y. A. Chaikina, Russ. J. Phys. Chem. B 1, 435 (2007). https://doi.org/10.1134/S1990793107050016Галицкий В.М., Никитин Е.Е., Смирнов Б.М. Теория столкновений атомных частиц. М: Наука,1981.V. M. Galitsky, E. E. Nikitin, and B. M. Smirnov, Theory of atomic particles collisions (Nauka, Moscow, 1981).Hellmann H. // J. Chem. Phys. 1935. V. 3. № 1. P. 61; https://doi.org/10.1063/1.1749559H. Hellmann, J. Chem. Phys. 3, 61 (1935). https://doi.org/10.1063/1.1749559Гельман Г. Квантовая химия. М.-Л: Гостехтеоретиздат, 1937.H. Hellmann, Quantum chemistry (State Publication of technical and Theoretical literature, Moscow, Leningrad, 1937).Гомбаш П. Проблема многих частиц в квантовой механике. М: Изд-во иностр. лит., 1952.P. Gombash, Many-particle problem in quantum mechanics (Inostrannaya Literatura, Moscow, 1952).Baylis W.E. // J. Chem. Phys. 1969. V. 51. № 6. P. 2665; https://doi.org/10.1063/1.1672393W.E. Baylis, J. Chem. Phys. 51, 2665 (1969). https://doi.org/10.1063/1.1672393Pascale J., Vandeplanque J. // J. Chem. Phys. 1974. V. 60. № 6. P. 2278; https://doi.org/10.1063/1.1681360J. Pascale and J. Vandeplanque, J. Chem. Phys. 60, 2278 (1974). https://doi.org/10.1063/1.1681360Wahlstrand K.J., Numrich R.W., Dahler J.S. et al. // J. Phys. B At. Mol. Phys. 1977. V. 10. № 9. P. 1687; https://doi.org/10.1088/0022-3700/10/9/019K.J. Wahlstrand , R.W. Numrich, J.S. Dahler, and S.E. Nielsen, J. Phys. B At. Mol. Phys. 10, 1687 (1977). https://doi.org/10.1088/0022-3700/10/9/019Czuchaj E., Sienkiewicz J. // Z. Naturforsch. A. 1979. V. 34. № 6. P. 694; https://doi.org/10.1515/zna-1979-0604E. Czuchaj and J. Sienkiewicz, Z. Naturforsch. A 34, 694 (1979). https://doi.org/10.1515/zna-1979-0604Düren R., Moritz G. // J. Chem. Phys. 1980. V. 73. № 10. P. 5155; https://doi.org/10.1063/1.439994R. Düren and G. Moritz, J. Chem. Phys. 73, 5155 (1980). https://doi.org/10.1063/1.439994Khristenko S. V., Maslov A.I., Shevelko V.P. Molecules and Their Spectroscopic Properties. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1998; https://doi.org/10.1007/978-3-642-71946-2S.V. Khristenko, A.I. Maslov, and V. P. Shevelko, Molecules and Their Spectroscopic Properties (Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 1998). https://doi.org/10.1007/978-3-642-71946-2Rapp D., Chang C.M. // J. Chem. Phys. 1972. V. 57. № 10. P. 4283; https://doi.org/10.1063/1.1678060D. Rapp and C.M. Chang, J. Chem. Phys. 57, 4283 (1972). https://doi.org/10.1063/1.1678060Rapp D., Chang C.M. // J. Chem. Phys. 1973. V. 58. № 6. P. 2657; https://doi.org/10.1063/1.1679551D. Rapp and C.M. Chang, J. Chem. Phys. 58, 2657 (1973). https://doi.org/10.1063/1.1679551Burke P.G., Chandra N. // J. Phys. B: At., Mol. Phys. 1972. V. 5. № 9. P. 1696; https://doi.org/10.1088/0022-3700/5/9/013P.G. Burke and N. Chandra, J. Phys. B At. Mol. Phys. 5, 1696 (1972). https://doi.org/10.1088/0022-3700/5/9/013Kahn L.R., Baybutt P., Truhlar D.G. // J. Chem. Phys. 1976. V. 65. № 10. P. 3826; https://doi.org/10.1063/1.432900L.R. Kahn, P. Baybutt, and D.G. Truhlar, J. Chem. Phys. 65, 3826 (1976). https://doi.org/10.1063/1.432900Czuchaj E., Sienkiewicz J., Miklaszewski W. // Chem. Phys. 1987. V. 116, № 1. P. 69; https://doi.org/10.1016/0301-0104(87)80069-1E. Czuchaj, J. Sienkiewicz, and W. Miklaszewski, Chem. Phys. 116, 69 (1987). https://doi.org/10.1016/0301-0104(87)80069-1Trail J.R., Needs R.J. // J. Chem. Phys. 2017. V. 146. № 20. 204107; https://doi.org/10.1063/1.4984046J.R. Trail and R.J. Needs, J. Chem. Phys. 146, 204107 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4984046Адамсон С.О., Харлампиди Д.Д., Голубков Г.В. и др. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 4. С. 11; https://doi.org/10.31857/S0207401X20040020S.O. Adamson, D.D. Kharlampidi, G. V. Golubkov, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 14, 235 (2020). https://doi.org/10.1134/S1990793120020165Адамсон С.О., Харлампиди Д.Д., Голубков Г.В. и др. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 10. С. 9; https://doi.org/10.31857/S0207401X20100027S.O. Adamson, D.D. Kharlampidi, G.V. Golubkov, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 14, 742 (2020). https://doi.org/10.1134/S1990793120050164Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики: Т. 3. Квантовая механика (нерелятивистская теория). М: Физматлит, 2004.L.D. Landau, E.M. Lifshitz, Quantum mechanics (Pergamon Press, Oxford, New York, Frankfurt, 1977).Варшалович Д.А., Москалев А.Н., Херсонский В.К. Квантовая теория углового момента. Л: Наука, 1975.D.A. Varshalovich, A.N. Moskalev, and V.K. Khersonskii, Quantum theory of angular momentum (Nauka, Leningrad, 1975).Maroulis G. // J. Chem. Phys. 2003. V. 118. № 6. P. 2673; https://doi.org/10.1063/1.1535443G. Maroulis, J. Chem. Phys. 118, 2673 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1535443Kobus J. // Phys. Rev. A. 2015. V. 91. № 2. 022501; https://doi.org/10.1103/PhysRevA.91.022501J. Kobus, Phys. Rev. A 91, 022501 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.91.022501Ransil B.J. // Rev. Mod. Phys. 1960. V. 32. № 2. P. 245; https://doi.org/10.1103/RevModPhys.32.245B. J. Ransil, Rev. Mod. Phys. 32, 245 (1960). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.32.245Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: Физматгиз, 1963.I. I. Sobelman, Introduction to the theory of atomic spectra (Pergamon press, Oxford, 1972). https://doi.org/10.1016/C2013-0-02394-8Carlson B.C., Rushbrooke G.S. // Math. Proc. Camb. Philos. Soc. 1950. V. 46. № 4. P. 626; https://doi.org/10.1017/S0305004100026190B.C. Carlson and G.S. Rushbrooke, Math. Proc. Camb. Philos. Soc. 46, 626 (1950). https://doi.org/10.1017/S0305004100026190Gray C.G. // Can. J. Phys. 1968. V. 46. № 2. P. 135; https://doi.org/10.1139/p68-020C.G. Gray, Can. J. Phys. 46, 135 (1968). https://doi.org/10.1139/p68-020Tang K.T., Toennies J.P. // J. Chem. Phys. 1978. V. 68. № 12. P. 5501; https://doi.org/10.1063/1.435678K.T. Tang and J.P. Toennies, J. Chem. Phys. 68, 5501 (1978). https://doi.org/10.1063/1.435678Tang K.T., Toennies J.P. // J. Chem. Phys. 1984. V. 80. № 8. P. 3726; https://doi.org/10.1063/1.447150K.T. Tang and J.P. Toennies, J. Chem. Phys. 80, 3726 (1984). https://doi.org/10.1063/1.447150Mahan G.D. // J. Chem. Phys. 1968. V. 48. № 2. P. 950; https://doi.org/10.1063/1.1668749G.D. Mahan, J. Chem. Phys. 48, 950 (1968). https://doi.org/10.1063/1.1668749Mahan G.D. // J. Chem. Phys. 1969. V. 50. № 6. P. 2755; https://doi.org/10.1063/1.1671441G.D. Mahan, J. Chem. Phys. 50, 2755 (1969). https://doi.org/10.1063/1.1671441Amaee B., Bottcher C. // J. Phys. B: At. Mol. Phys. 1978. V. 11. № 7. P. 1249; https://doi.org/10.1088/0022-3700/11/7/022B. Amaee and C. Bottcher, J. Phys. B At. Mol. Phys. 11, 1249 (1978). https://doi.org/10.1088/0022-3700/11/7/022Резников А.И., Уманский С.Я. // Хим.физика. 2004. Т. 23. № 10. С. 5.A.I. Reznikov and S.Y. Umanskii, Khim. Fiz. 23, 5 (2004).Weeks D.E., Niday T.A., Yang S.H. // J. Chem. Phys. 2006. V. 125. № 16. P. 1; https://doi.org/10.1063/1.2222369D.E. Weeks, T.A. Niday, and S.H. Yang, J. Chem. Phys. 125, 1 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2222369Rebentrost F., Lester W.A. // J. Chem. Phys. 1976. V. 64. № 9. P. 3879; https://doi.org/10.1063/1.432705F. Rebentrost and W.A. Lester, J. Chem. Phys. 64, 3879 (1976). https://doi.org/10.1063/1.432705Alexander M.H., Yang M. // J. Chem. Phys. 1995. V. 103. № 18. P. 7956; https://doi.org/10.1063/1.470213M.H. Alexander and M. Yang, J. Chem. Phys. 103, 7956 (1995). https://doi.org/10.1063/1.470213