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Kinetik der Ladungsträger und neutralen Spezies in anisothermen, molekularen Entladungsplasmen
(2009)
In dieser Arbeit wurde die Kinetik geladener und neutraler Spezies in anisothermen, molekularen Niederdruckentladungsplasmen untersucht. Als Arbeitsgas wurde Sauerstoff gewählt, da es noch eine Reihe grundlegender Fragen zu beantworten gibt und da Sauerstoff für viele technische Anwendungen von Interesse ist. Für eine adäquate Beschreibung des Elektronensubsystems wurde die stationäre, räumlich inhomogene kinetische Gleichung der Elektronen gelöst und die Elektronengeschwindigkeitsverteilungsfunktion (EVDF) bestimmt. Auf der Grundlage einer Legendre-Polynomentwicklung wurde eine strikte Multiterm-Beschreibung entwickelt, mit deren Hilfe die EVDF unter Vorgabe realistischer Potentialverläufe zwischen den Elektroden und der Plasmazusammensetzung im Druckbereich von 1 bis ~100 Pa bestimmt wurde. Es konnte der wesentliche Einfluß der dissipativen Stoßterme zur räumlichen Relaxation der EVDF erstmals für Sauerstoff gezeigt werden. In Bereichen kleiner Drücke ist ein Verhalten zu finden, welches typisch für Strahlelektronen ist, d.h. die an der Kathode eingestreute Elektronengruppe wandert praktisch ohne Dämpfung bis zur Anode. Dies spiegelt sich auch in den makroskopischen Größen wider, die im gesamten Entladungsgebiet eine starke räumliche Struktur aufweisen. Bei einer Druckerhöhung ist eine schnelle räumliche Relaxation der EVDF zu beobachten, die bereits beim Verlassen des Kathodenfallgebiets annähernd abgeschlossen ist. Damit in Verbindung stehen räumlich konstante Transportgrößen für die Elektronen oder deren mittlere kinetische Energie. Weiterhin wurde ein System hydrodynamischer Bilanzgleichungen für die betrachteten Spezies in Sauerstoff-Glimmentladungen abgeleitet, welches gekoppelt mit der Poisson-Gleichung gelöst wurde. Somit konnten die Dichten und Ströme der Spezies sowie das elektrische Potential selbstkonsistent bestimmt werden. Für die Analysen wurde ein reaktionskinetisches Modell für Sauerstoff entwickelt, welches alle relevanten Spezies und die zugehörigen Reaktionskanäle enthält. Insbesondere können in den hier betrachteten Plasmen mit Drücken um 100 Pa O2(b 1Σg+), O3 sowie O+ und O2- vernachlässigt werden. Somit war es möglich, sowohl das Startverhalten als auch den stationären Zustand der betrachteten Sauerstoff-Entladungen zu charakterisieren. Dabei konnte festgestellt werden, daß die metastabilen Moleküle O2(a 1Δg) keinen Einfluß auf kurze anormale Glimmentladungen haben, da ihre Dichte im Vergleich zum Bereich der positiven Säule äußerst gering ist. Dagegen wirken sich die negativen Ionen O- merklich auf die Formierung des Raumladungsfelds aus und müssen Berücksichtigung finden. Anhand einer Radiofrequenzentladung konnte zudem der Einfluß der Lokalen-Feld-Näherung (LFA) als auch der Lokalen-Mittleren-Energie-Näherung (LMEA) für die elektronischen Größen auf das Entladungsverhalten gezeigt werden. Hierbei konnte in Übereinstimmung mit der kinetischen Analyse der Elektronen festgestellt werden, daß die LFA zu einer erheblichen Überschätzung der entsprechenden Größen führt und zur nichtlokalen Beschreibung ungeeignet ist. Daher ist die Anwendung der LMEA im Rahmen einer hydrodynamischen Beschreibung zu empfehlen. Weiterhin wurde ein Hybrid-Verfahren entwickelt, welches eine kinetische Beschreibung der Elektronenkomponente sowie eine hydrodynamische Beschreibung der Spezies beinhaltet. Diese Methode wurde angewendet, um den stationären Zustand einer anormalen Sauerstoff-Glimmentladung zu bestimmen. Dabei wurden die Ratenkoeffizienten der Elektronenstoßprozesse auf einem kinetischen Niveau bestimmt und in der hydrodynamischen Beschreibung verwendet, so daß die Qualität der theoretischen Beschreibung wesentlich verbessert wurde. Dieses Verfahren wurde für einen direkten Vergleich mit den bisher durchgeführten rein hydrodynamischen Rechnungen genutzt. Dabei konnte wiederum festgestellt werden, daß die Ratenkoeffizienten in der Lokalen-Feld-Näherung überschätzt werden, was zum einen zu hohe Raten und Teilchendichten zur Folge hat und zum anderen auch die Entladungsparameter für einen erfolgreichen Durchbruch nicht korrekt charakterisiert.
In this doctoral thesis, algorithms are presented that are designed for the investigation in the mesopause region between the upper Mesosphere and Lower Thermosphere (MLT). The photochemical models are proposed and applied to represent the oxygen airglow and the oxygen photochemistry in the MLT. Atomic oxygen, O, in the ground state, O(3P), is of special interest because it is a reactive trace gas actively contributing to the Earth’s airglow. The retrievals of O(3P) concentrations, [O(3P)], are based on the nightglow time series of the green line emission measured remotely as in the first part of this thesis and the individual profiles of multiple nightglow emissions of O and molecular oxygen (O2) measured in situ as in the second part of this thesis. To process the complete spectral time series measured by using the satellite-borne instrument SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY), an intricate set of algorithms is developed and applied with the regularized total least squares minimization approach to estimate a set of the optimal regularization parameters and to retrieve a corresponding set of vertical Volume Emission Rate (VER) profiles. Furthermore, these algorithms take emissions of another origin and the Earth's shape into account. Considering not identified states of O2, the established photochemical models are adjusted resulting in two model modifications. Both model modifications are employed to retrieve the [O(3P)] time series on the basis of the VER time series in the MLT. The model input parameters vary in the atmosphere that motivated to propose these two model modifications and to employ available sources of the input parameters. One semi-empirical model, one general circulation model and the satellite-borne instrument SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) are employed as sources of the reference [O(3P)] and input parameters time series. The SABER instrument employed as a source of the input parameters is preferred according to the comparison of the retrieved and reference [O(3P)] time series. Studying the impact of the 11-year solar cycle on O(3P) in the MLT, an algorithm is developed and applied with the Levenberg-Marquardt algorithm to estimate the optimal fit parameters step-wise. The results of the O(3P) sensitivity analysis obtained with respect to the solar activity forcing at the 11 year and 27 day time scales and the lunar gravitational forcing agree with the reference model simulations. The hypothesis regarding vertical shifts between different of Meinel bands at least partly caused by the hydroxyl radical (OH*) quenching with O(3P) is confirmed experimentally. Based on the conclusion drawn in the first part of this thesis that the data sets’ self-consistency is high as for the averaged SABER and SCIAMACHY measurements, a comprehensive set of available data with a higher level of the data sets’ self-consistency is employed in the second part of this thesis. Multiple airglow emissions measured in situ during four campaigns are employed to propose the Multiple Airglow Chemistry (MAC) model. Processed emissions are the Herzberg I, Chamberlain, Atmospheric and Infrared Atmospheric band emissions of O2 and the green line emission of O. Considering all widely known and additionally complemented reactions, the MAC model is proposed to represent the oxygen airglow and the oxygen photochemistry in the MLT. The presented MAC model is based on the hypothesis of Slanger et al. (2004) stating that higher excited states of O2 are coupled with each other through vibronic de-excitation caused by collisions among molecules of this group of O2 states in the MLT. This hypothesis is modified excluding the singlet Herzberg state of O2 from the group of O2 states considered by Slanger et al. (2004). The MAC calculations are carried out sequentially starting with higher excited O2 states to provide the retrieved output concentrations of these O2 states as the input concentrations to the next calculation steps. The final step is only based on concentrations of all species, whereas each of the earlier steps is based on a corresponding VER profile besides of the input concentrations. The oxygen photochemistry in the MLT is represented by all species considered at the final step that makes it possible to adopt the MAC reactions in a general circulation model. Four modifications of the MAC model, i.e. including or excluding the triplet Herzberg states of O2 and including or excluding ozone and odd hydrogen (hydrogen, OH* and hydroperoxy radical), lead to negligible differences in the retrieved [O(3P)] profiles. Based on the MAC calculations verified and validated on the basis of the four rocket campaigns, one of the effective modifications of the MAC model (excluding the triplet Herzberg states of O2, ozone and odd hydrogen) is further reduced to the most effective modification. This implies that for the [O(3P)] retrieval only the O2 Atmospheric band emission, temperature and concentrations of molecular nitrogen (N2) and O2 are sufficient to apply. Calculations carried out by using the most effective modification of the MAC model are verified and validated on the basis of self-consistent in situ measurements obtained simultaneously. The MAC model enables identifying precursors of (1) the three lowest O2 valence states and (2) the second excited O state responsible for (1) the Atmospheric and Infrared Atmospheric band emissions of O2 and (2) the green line emission of O, respectively. Particularly, the singlet Herzberg state of O2 is identified as the major precursor of the second excited O state resulting in the green line emission. In focus of potential further research is an extension of the MAC model with vibrationally excited states of O2 and ionized species.