Electrical discharges in planetary upper atmospheres

311 Pages·2015·27.45 MB·English

Electrical discharges in planetary
upper atmospheres: thermal and
chemical effects
Francisco Carlos Parra Rojas
Department of Solar System
Instituto de Astrof´ısica de Andaluc´ıa
F´ısica y Ciencias del Espacio
A thesis submitted for the degree of
PhilosophiæDoctor (PhD)
2015 June
ii
Examination date: June 18, 2015
Thesis supervisors:
Dr. D. Francisco J. Gordillo V´azquez Dr. D. Alejandro Luque Estepa
(cid:13)c Francisco C. Parra Rojas
ISBN: 978-84-606-7924-0
Cover design: Mar´ıa Passas Varo and Francisco C. Parra Rojas.
Cover picture: Sprite over the Mediterranean Sea. Photography by Oscar van der
Velde, Castellgal´ı, Catalonia, Spain.
Some of the figures included in this document have been previously published in
Journal of Geophysical Research - Space Physics and Icarus.
iii
1. Reviewer:
2. Reviewer:
Day of the defense: June 18, 2015
SignaturefromtheheadofthePhDcommittee:
iv
Abstract
A one-dimensional electrochemical model is developed to describe, in a self-
consistent way, the response of the Earth mesosphere to different types of
lightning discharges between 50-87 km of altitude. This model is applied
to the case of sprite halos, one of the most common types of Transient Lu-
minous Events (TLE). We have studied the time-altitude evolution of more
than 20 chemical species. Our model predicts an increase of up to 70 cm−3
in the electron density from ambient electron density values between 55-
81 km of altitude in the +CG lightning cases and a negligible mesospheric
electron density perturbation in the -CG lightning case. For all the +CG
and some -CG (200 kAkm) cases considered, the model also shows an en-
hancement of several orders of magnitude in the concentration of ground
state negative (O−, O−, NO−) and positive (O+, O+) ions and electroni-
2 2 2 4
cally excited positive ions such as N+(A2Π ) responsible for the N+ Meinel
2 u 2
emissions and N+(B2Σ+). On the other hand, for the first positive group
2 u
of N the calculated emission brightness exceeds 1 MR for a halo of 100
2
km of diameter at an altitude of 77 km for all the CG lightning discharges
studied (except for the -CG case with 100 kAkm current peak) and for rel-
atively lower altitudes when +CG lightning are considered. Moreover, the
calculated concentration of the metastables N (A3Σ+) and O(1D) exhibit
2 u
an enormous enhancement (of more than ten orders of magnitude) over
their ambient values that, for +CG, remains high (5-7 orders of magnitude
above ambient values) for long times (up to 500 s), below 55 km.
We have studied laboratory low pressure (0.1 mbar ≤ p ≤ 2 mbar) glow air
discharges by optical emission spectroscopy to discuss several spectroscopic
techniques that could be implemented by field spectrographs, depending on
the available spectral resolution, to experimentally quantify the gas tem-
perature associated to TLEs occurring at different altitudes including blue
jets, giant blue jets and sprites. Laboratory air plasmas have been analysed
from the near UV (300 nm) to the near IR (1060 nm) with high (up to
0.01 nm) and low (2 nm) spectral resolution commercial grating spectro-
graphs and by an inhouse intensified CCD grating spectrograph that we
have recently developed for TLE spectral diagnostic surveys with (cid:39) 0.45
nm spectral resolution. We discuss the results of lab tests and comment
on the convenience of using one or another technique for rotational (gas)
temperaturedeterminationdependingonthealtitudeandavailablespectral
resolution. Moreover, we compare available low resolution (3 nm ≤ ∆λ ≤ 7
nm)N 1PGfieldrecordedspritespectraat53km((cid:39)1mbar),andresulting
2
vibrational distribution function (VDF), with 1 mbar laboratory glow dis-
chargespectrum(∆λ=2nm)andsyntheticspritespectrafrommodels. We
found that while the relative population of N (B3Π ,v = 2−7) in sprites
2 g
and laboratory produced air glow plasmas are similar, the N (B3Π ,v = 1)
2 g
vibrational level in sprites is more efficiently populated (in agreement with
model predictions) than in laboratory air glow plasmas at similar pressures.
Concerning sprites, a one-dimensional self-consistent model has also been
developedtostudythechemicalandthermaleffectsofasinglespritestreamer
in the Earth mesosphere. We have used sprite streamer profiles with three
differentdrivingcurrentdurations(5ms,50msand100ms)between50and
80 km of altitude and considering a kinetic scheme of air with 20 chemical
species. Our model predicts strong increases in practically all the concen-
trations of the species studied at the moment of the streamer head pas-
sage. Moreover, their densities remain high during the streamer afterglow
phase. The electron concentration can reach values of up to 108 cm−3 in
the three cases analysed. The sprite model also predicts an important en-
hancement,ofseveralordersofmagnitudeaboveambientvalues,ofnitrogen
oxides (NO and N O) and the considered metastables molecular species
x 2
(N (A3Σ+), O (a1∆ ), O (b1Σ+)). Metastables are capable of storing en-
2 u 2 g 2 g
ergy for relatively long time (hundreds of seconds). On the other hand, we
found that the 4.26 µm IR emission brightness of CO can reach 10 GR
2
at low altitudes (< 65 km) for the cases of intermediate (50 ms) and long
(100 ms) driving currents. These results suggest the possibility of detecting
sprite IR emissions from space with the appropiate instrumentation. More-
over, according to our model, the Meinel emission brightness of N+ could
2
also reach 1 MR below 50 km. Finally, we found that the thermal impact
of sprites in the Earth mesosphere is proportional to the driving current
duration. This produces variations of up to 30 K (in the extreme case of a
100 ms driving current) at low altitudes (< 55 km) and at about 10 seconds
after the streamer head.
Finally, we have also studied the chemical effects of intracloud lightnings
with different Charge Moment Change (CMC) and with different ambient
electron density profiles on the lower ionosphere of Saturn. We have devel-
opedaself-consistentkineticmodelthatallowsustoestimatethetime-and
altitude-dependence of the electric field and the chemical species included
in our model as well as photon emissions. We have tested two ambient
electron density profiles on Saturn and found that the conservative estima-
tion of lightning CMC = 105 C km could lead to faint halos and possibly
sprites if the base of the ionosphere is located at 1000 km of altitude over
the 1-bar reference level. If the base of the ionosphere is at 600 km above
the 1-bar level, then only the extreme case of 106 C km could produce
considerable ionization, halos and possibly sprites. We also found that H+
3
ions are rapidly produced from the parent H+ ions through the reaction
2
H++H → H++H, so that H+ becomes the dominant ion in all the cases
2 2 3 3
considered. Theresultinglightemissions, mainlyintheblueandultraviolet
spectral region, are below the detection threshold of Cassini.
Resumen
En la tesis se ha desarrollado un modelo electroqu´ımico unidimensional
que describe, de forma autoconsistente, la respuesta de la mesosfera de La
Tierra a diferentes tipos de descargas el´ectricas asociadas a rayos entre 50
km y 85 km de altitud. Este modelo se ha aplicado al caso de halos de
sprites, uno de los tipos de Eventos Lum´ınicos Transitorios (TLEs) m´as
conocidos y frecuentes. Hemos estudiado la evoluci´on en tiempo y altura
de m´as de 20 especies qu´ımicas. Nuestro modelo predice un incremento
de hasta 70 cm−3 en la densidad de electrones desde valores ambientales
de la densidad de electrones entre 55-81 km de altitud para el caso de un
rayo positivo (+CG) y una perturbaci´on despreciable en la concentraci´on
mesosf´erica de electrones en el caso de un rayo negativo (-CG). Para to-
dos los casos de rayos +CG y algunos rayos -CG (200 kAkm) estudiados,
el modelo tambi´en muestra aumentos de varios ´ordenes de magnitud en la
concentraci´on de iones negativos (O−, O−, NO−) y positivos (O+, O+) en
2 2 2 4
el estado fundamental, e iones positivos electr´onicamente excitados como
N+(A2Π ) responsable de la emisi´on Meinel del N+ y el N+(B2Σ+). Por
2 u 2 2 u
otra parte, para el primer positivo del N , el brillo de emisi´on calculado
2
excede en 1 MR para un halo de 100 km de di´ametro a una altitud de 77
km y para todos los casos de rayos CG estudiados (excepto para el caso de
un rayo -CG con 100 kAkm de pico de corriente) y a alturas relativamente
bajas cuando consideramos rayos +CG. Adem´as, las concentraciones calcu-
ladas de especies metaestables como N (A3Σ+) y O(1D) exhiben enormes
2 u
aumentos (de m´as de diez ´ordenes de magnitud) sobre sus valores ambi-
entales que, para rayos +CG, se mantienen en valores altos (5-7 ´ordenes
de magnitud sobre valores ambientales) un largo tiempo (hasta 500 s), por
debajo de 55 km.
Por otra parte, hemos estudiado espectrosc´opicamente descargas el´ectricas
tipo “glow” producidas en aire y generadas en el laboratorio a baja presi´on
(0.1mbar≤p≤2mbar). Hemosdiscutidoalgunast´ecnicasespectrosc´opicas
que podr´ıan ser implementadas en espectr´ografos de campo de forma que
dependiendo de la resoluci´on espectral disponible nos permitieran cuan-
tificar la temperatura del gas asociada a TLEs (incluyendo blue jets, giant
blue jets y sprites) que ocurren a diferentes altitudes. Los plasmas de aire
generados en laboratorio han sido analizados desde el ultravioleta cercano
(300 nm) hasta el infrarrojo cercano (1060 nm) con alta (hasta 0.01 nm) y
baja (2 nm) resoluci´on espectral y por un espectr´ografo CCD intensificador
que hemos desarrollado recientemente en el grupo para el estudio de las
caracter´ısticas espectrales de TLEs con (cid:39) 0.45 nm de resoluci´on espectral.
Hemos discutido los resultados de los trabajos de laboratorio y comentado
la conveniencia de usar una u otra t´ecnica para la determinaci´on de la
temperatura rotacional (gas) dependiendo de la altitud y de la resoluci´on
espectral disponible. Por otra parte, hemos comparado los espectros del
1PN obtenidos a baja resoluci´on espectral (3 nm ≤ ∆λ ≤ 7 nm) a 53
2
km de altitud ((cid:39) 1 mbar) y su funci´on de distribuci´on vibracional (VDF),
con espectros de descargas tipo glow realizadas en laboratorio a 1 mbar
(∆λ = 2 nm) y con espectros sint´eticos de sprites obtenidos con modelos.
Hemos encontrado que mientras la poblaci´on relativa de N (B3Π , v = 2-
2 g
7) en sprites y en plasmas de aire tipo glow producidos en laboratorio son
similares, el nivel vibracional N (B3Π , v = 1) para sprites es m´as eficien-
2 g
temente poblado (en concordancia con predicciones de modelos) que en los
plasmas de aire tipo “glow” producidos en laboratorio a presiones similares.
En relaci´on con el estudio de sprites, se ha desarrollado un modelo unidi-
mensionalautoconsistenteparaelestudiodelosefectosqu´ımicosyt´ermicos
de un filamento (streamer) de sprite en la mesosfera terrestre. Para ello,
hemosusadoperfilesdecorrientedestreamersdespritescontresduraciones
de afterglow diferentes (5 ms, 50 ms y 100 ms) entre 50 y 80 km de altitud
considerando un esquema cin´etico de plasma de aire con m´as de 90 especies
qu´ımicas. Nuestromodelopredicefuertesaumentosenpr´acticamentetodas
lasdensidadesdelasespeciesestudiadasenelinstantedelpasodelacabeza
del streamer. Por otra parte, dichas densidades se mantienen en valores
relativamente altos durante la fase de “afterglow” del streamer. La concen-
traci´on de electrones puede alcanzar valores de hasta 108 cm−3 en los tres
casosanalizados. Elmodelotambi´enprediceunimportanteaumento, deal-
gunos ´ordenes de magnitud sobre el valor ambiental, de las concentraciones
de ´oxidos de nitr´ogeno (NO y N O) y de las especies metaestables con-
x 2
sideradas (N (A3Σ+), O (a1∆ ) y O (b1Σ+)). Las especies metaestables
2 u 2 g 2 g
son capaces de almacenar energ´ıa un tiempo relativamente largo (cientos de
segundos).
Por otra parte, hemos encontrado que el brillo de emisi´on en IR a 4.26 µm
delCO puedealcanzar10GRabajasaltitudes(<65km)paraloscasosde
2
duraci´on intermedia (50 ms) y larga (100 ms) del “afterglow” de corriente.
Estos resultados sugieren la posibilidad de detectar emisi´on infrarroja de
sprites desde el espacio con la instrumentaci´on adecuada. Adem´as, acorde
con nuestro modelo, el brillo de emisi´on Meinel del N+ podr´ıa alcanzar
2
tambi´en 1 MR por debajo de 50 km. Finalmente, hemos encontrado que el
impactot´ermicolocaldespritesenlamesosferaterrestreesproporcionalala
duraci´on del “afterglow” de corriente. Este produce variaciones de hasta 30
K (en el caso extremo de 100 ms de afterglow de corriente) a bajas altitudes
(< 55 km) y 10 segundos despu´es del paso de la cabeza del streamer.
Por u´ltimo, hemos estudiado los efectos qu´ımicos de rayos intranube con
diferentes momentos de carga (CMC) y con diferentes perfiles de densi-
dad de electrones en la baja ionosfera de Saturno. Hemos desarrollado
un modelo cin´etico autoconsistente unidimensional el cual puede estimar
la dependencia en tiempo y en altura del campo el´ectrico y las especies
qu´ımicas consideradas as´ı como la emisi´on de fotones. Hemos probado dos
perfiles de densidad de electrones ambiental encontrando que con la esti-
maci´on m´as conservadora de CMC de un rayo, esto es 105 C km, se podr´ıan
producir halos d´ebiles y posiblemente sprites si la base de la ionosfera esta
situada a 1000 km sobre la presi´on de referencia de 1 bar. Si la base de
la ionosfera esta situada a 600 km sobre el nivel de 1 bar, entonces solo
el caso extremo de 106 C km de CMC podr´ıa producir una considerable