Лабораторное моделирование высокоэнергетических газо-плазменных процессов представляющих аэророномический и астрохимический интерес

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-13-00207

НазваниеЛабораторное моделирование высокоэнергетических газо-плазменных процессов представляющих аэророномический и астрохимический интерес

Руководитель Столяров Андрей Владиславович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-501 - Квантовая химия, математические методы в химии

Ключевые слова астрохимия, атомно-молекулярная спектроскопия, квантовая химия, возбужденные состояния, лазерно-индуцированная плазма, оптическая диагностика

Код ГРНТИ29.31.26

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Возникновение и эволюция молекул во Вселенной связаны с выбросом вещества на поздних стадиях существования звезд в межзвездную среду и последующей трансформацией этого вещества, и заканчивается захватом этого вещества вновь образованными звездами и планетными системами. Понимание химической эволюции в контексте происхождения жизни является ключевой проблемой астрофизики в последние десятилетия. При этом необходимо знать полноценную цепочку химических реакций, их константы в «космических» условиях. Эта проблема оказалась принципиально сложной для опыта «земной» химии из-за кардинальной разницы во временных и пространственных шкалах протекания процессов. Практическое использование космического пространства является одним из ключевых элементов улучшения качества жизни. Значительный прогресс в области информационных технологий связан с развитием космической инфраструктуры, вместе которым растет количество космического «мусора», что стало важной проблемой для космических агентств. Кроме того, существует необходимость в детальном понимании поведения летательных аппаратов при их возвращении на Землю и оценке защитных свойств атмосферы от ударов космических тел природного происхождения большого размера. Проект направлен на использование лабораторного и численного моделирования в сочетании с методами квантовой химии для прецизионного описания в релевантной газофазной среде структуры и динамики электронно-возбужденных состояний молекул, важных для астрохимиии и при изучении радиационно-газодинамических процессов в атмосфере. Можно выделить два направления работ – имитация газоплазменных сред, возникающих при вхождении массивных тел в атмосферу, и их детальное изучение комплексом спектральных методов, а также совместное экспериментальное и квантово-химическое исследование возбужденных электронных состояний молекул, участвующих в химической эволюции астрономических объектов в космологическом масштабе времени. Конечной целью этих исследований является установление механизмов физико-химической эволюции молекулярного вещества Вселенной в космологическом масштабе времени. Оригинальный подход по лабораторному моделированию излучения космических объектов, позволит помимо температуры и электронной плотности оценить давление и плотность частиц. Комплексная диагностика плазмы обеспечит определение её параметров в широком диапазоне значений с высокой точностью. Это позволит улучшить точность качественного и количественного элементного анализа метеороидов, определения их характеристик для привязки к родительскому телу. Также будут получены экспериментальные спектры монооксидов в релевантных наблюдательным данным условиях, что позволит улучшить точность расчётов в области высоких значений колебательных и вращательных квантовых чисел. Прецизионное знание структурно-динамических параметров астрохимически значимых молекул при низких давлениях в широком диапазон температур необходимо для описания физико-химических свойств газофазных сред с точностью, соответствующей астрономическим наблюдениям. Энергетические и радиационно-столкновительные характеристики нейтральных молекул и их ионов, находящихся как в основном, так и возбужденных ровибронных состояниях, крайне важны для моделирования эволюции межзвездной среды, приводящей к образованию молодых звезд и планетарных систем. Особый интерес вызывают физико-химические характеристики атомов и молекул, которые можно использовать для оптической диагностики удаленных космических объектов, включая квазары, молекулярные облака, атмосферы экзопланет, холодные звезды, кометные комы и метеоры. Ключевым стимулом к формированию проблематики данного проекта стало начало работы в 2022 году космического ИК-телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), который позволяет с беспрецедентно высоким спектральным и пространственным разрешением исследовать удаленные и оптически слабые космические объекты, что значительно повышает актуальность запланированных исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.С. Лихарев, Е.А. Пазюк, А.В. Столяров АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ РИДБЕРГОВСКИХ СОСТОЯНИЙ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА В ПРЕДЕЛЕ ОБЪЕДИНЕННОГО АТОМА Журнал физической химии, Т.5 (год публикации - 2024)

2. А.В. Столяров Спектроскопия высокого разрешения двухатомных молекул вблизи порога диссоциации Журнал физической химии, Т.5 (год публикации - 2024)

3. Андрей В. Столяров High-resolution diatomic spectroscopy near the dissociation threshold XX Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2023: Abstracts of Reports. — Томск : Издательство ИОА СО РАН, 2023. — 160 стр., Сборник: XX Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2023: Abstracts of Reports,p.149,O1 (год публикации - 2023)

4. А.С. Лихарев, Е.А. Пазюк, А.В. Столяров Ab initio Quantum Defect Theory Revisited Rydberg’s States of H2 XX Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2023: Abstracts of Reports. — Томск : Издательство ИОА СО РАН, 2023. — 160 стр., XX Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2023: Abstracts of Reports.p.128, N15 (год публикации - 2023)

5. Лабутин Т.А. Non-analytical Applications of Laser-Induced Breakdown Spectrometry Book of Abstracts of 12th Euro-Mediterranean Symposium on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Universidade do Porto, Porto, P.18 (год публикации - 2023)

6. Зайцев С.М., Терашкевич В.А., Сушков Н.И. Implementation of up-to-date spectroscopic data on CN radical for laser-induced plasma diagnostics XX Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2023: Abstracts of Reports. — Томск : Издательство ИОА СО РАН, Сборник: XX Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2023: Abstracts of Reports,P.97 (год публикации - 2023)

7. Бегларян Б.Г., Закускин А.С., Лабутин Т.А. Implementation of atomic and molecular laser-induced fluorescence for spatially resolved plasma diagnostics Book of Abstracts of 12th Euro-Mediterranean Symposium on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Universidade do Porto, Porto, P.160 (год публикации - 2023)

8. Р.В. Терентьев, Д.В. Маслов, Н.Н. Яковлев, А.В. Столяров, И.А.Годунов ПУТИ МОДЕРНИЗАЦИИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ И ФОСФОРЕСЦЕНЦИИ МОЛЕКУЛ ПОЛИАРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ, ОХЛАЖДЕННЫХ В СТРУЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА ФГБУ "Издательство "Наука", Москва, Журнал физической химии. — 2025. — № 3. (год публикации - 2025)

9. Лихарев А.С., Пазюк Е.A., Столяров A.В. Analytical capabilities of the diatomic quantum defect theory Издательство "Перо", Москва, Сборник: Материалы Международной школы-конференции по современным проблемам химической физики и теоретической химии «CHALLENGES 2024», стр. 44 (год публикации - 2024)

10. Козлов С.В., Пазюк Е.А., Столяров А.В. ВОЛНООБРАЗНЫE ПОТЕНЦИАЛЫ РИДБЕРГОВСКИХ ∑+ -СОСТОЯНИЙ ЭКСИПЛЕКСНЫХ МОЛЕКУЛ Me–Rg: НЕЭМПИРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Na–He Издательский дом МГУ, Москва, Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. — 2024. — Т. 65, № 4. — С. 352–360. (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0579-9384-2-2024-65-4-352-360

11. С.В. Козлов, В.А. Терашкевич, Е.А. Пазюк, А.В. Столяров, С.Н. Юрченко, Дж. Теннисон An Upgraded Line List for Radiative Transitions between the B2Σ+, A2Π, and X2Σ+ States of the CN Radical The American Astronomical Society, The Astrophysical Journal Supplement Series, 275:29 (12pp), 2024 (год публикации - 2024)
10.3847/1538-4365/ad8b40

12. Терашкевич В.А., Пазюк Е.А., Столяров А.В. The feasible photoinduced growth of polycyclic aromatic hydrocarbons from a cosmic benzene ice Elsevier BVб Netherlands, том 35, № 3, с. 324-326 (год публикации - 2024)
10.71267/mencom.7639

13. Глебов И.О., Акимов Г.А., Столяров А.В. The fragment-based and perturbation theories treatment of the excited benzene excimer Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry (год публикации - 2026)
10.1016/j.jphotochem.2025.116805

14. Венер М.В., Столяров А.В. Impact of spatial topology and nitrogen atoms embedding in π-conjugated chromophores on their UV-VIS and IR spectra Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer (год публикации - 2025)
10.1016/j.jqsrt.2025.109646

15. Пазюк Е.А., Столяров А.В. КАЛИБРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ НИЗКОЛЕЖАЩИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ТЕРМОВ МОЛЕКУЛЫ CaO Журнал физической химии (год публикации - 2026)

16. Зайцев С.М., Терашкевич В.А. Accurate simulation of the CN emission spectra in laser-induced plasma: a joint impact of robust line list, non-LTE conditions and self-absorption effect Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy (год публикации - 2025)
10.1016/j.sab.2025.107350

17. Бегларян Б.Г., Закускин А.С., Попов А.М., Лабутин Т.А. Spatially resolved studies of laser-induced plasma by a two-line fluorescence thermometry Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, V. 235 (год публикации - 2026)
10.1016/j.sab.2025.107381

18. Закускин А.С., Бегларян Б.Г., Немченко В.А., Лабутин Т.А. TOWARDS ACCURATE PAH IR SPECTRA PREDICTION: HANDLING CHARGE EFFECTS WITH CLASSICAL AND DEEP LEARNING MODELS Book of Abstracts of the 78th International Symposium on Molecular Spectroscopy, P.184 (год публикации - 2025)

19. Бегларян Б.Г., Закускин А.С., Зайцев С.М., Лабутин Т.А. Studying species distribution in laser-induced plasma by molecular and atomic fluorescence Plasma Sources Science and Technology, V. 33 (год публикации - 2024)
10.1088/1361-6595/ad5eba

20. Закускин А.С., Лабутин Т.А. Система флуоресцентного зондирования лазерной плазмы с высоким пространственным разрешением Журнал прикладной спектроскопии (год публикации - 2025)

21. И.М. Паханьян, А.В. Столяров, Д.З.Вибе ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОВЕСНО ЗАСЕЛЕННЫХ МОЛЕКУЛ ВОДОРОДА НА ОТНОШЕНИЕ HF/H2 В ДИФФУЗНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОБЛАКАХ Журнал Физической Химии (год публикации - 2026)

22. А. С. Лихарев, Е.А. Пазюк, А.В. Столяров Вклад континуальных ридберговских состояний в адиабатическую коррекцию и неадиабатические сдвиги низколежащих триплетных состояний молекулярного водорода журнал физической химии (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Состав мишени из смеси оксида железа (II, III) и карбоната кальция , при испарении которой спектры лазерной плазмы и болида Бенешев схожи, определенный с помощью калибровки по сигналам Ca и Fe, соответствует соотношению Fe/Ca 84:1 ,что существенно отличается от LL-хондритов и оценок для болида Бенешев (14:1-17:1). Это может быть связано с селективным испарением компонентов метеороида по мере нагрева его поверхности, что приводит к значительному обогащению плазменного облака при его движении в атмосфере Земли легкоатомизуемыми элементами, в частности кальцием. 2. На основании молекулярных постоянных рассчитаны вероятности переходов оранжевой системы CaO (≈24000 переходов). Качественное сопоставление спектра CaO высокого разрешения с рассчитанным модельным спектром в приближении ЛТР позволяет говорить только об общем совпадении положений соответствующих полос, что говорит о необходимости расширения количества рассматриваемых переходов данной системы как минимум на порядок для более реалистичного её описания. 3. При поисковых работах по обнаружению полос SiO2 зарегистрированы диффузные полосы вблизи 310 нм, в диапазонах 427-455 нм, 610-620 нм, об отнесении которых нет литературных данных, а энергетические характеристики могут говорить об их принадлежности к SiO2. На следующем этапе выполнения проекта будет изучаться влияние давления кислорода на изменение интенсивности этих полос. 4. Показана возможность предсказания с помощью нейронной сети температуры и электронной плотности по калиброванному спектру лазерной плазмы. 5. Неадиабатическая модель связанных колебательных каналов была использована для генерации полного списков линий радиационных переходов между X2Σ+, B2Σ+ и A2Π состояниями наиболее распространенных изотопологов CN радикала. Рассчитанные для A−X, B−X и B−A электронных переходов коэффициенты спонтанного излучения Эйнштейна были использованы для оценки радиационных времен жизни возбужденных ровибронных уровней и прогнозирования коэффициентов ветвления вибронных B→A/X переходов. Необходимые для расчета радиационных характеристик собственные дипольные моменты электронных состояний и дипольные моменты электронных переходов были получены многореференcными методами конфигурационного взаимодействия. 6. На основании функций квантового дефекта электронных состояний молекулы H2 с угловым моментом ридберговского электрона l<5 и его проекцией Λ=0-3 получены оценки неадиабатических матричных элементов радиального и углового связывания между ридберговскими состояниями одинаковой симметрии, а также радиальной функции адиабатической коррекции с использованием аналитических выражений молекулярной теории квантового дефекта. Рассчитаны регулярные неадиабатические сдвиги и энергии экспериментально наблюдаемых колебательных уровней низколежащих a3Σg+ и e3Σu+ состояний H2, D2 и T2 изотопологов в не вращающейся молекуле. Многоссылочным методом конфигурационного взаимодействия с использованием остовно-поляризационного потенциала и насыщенных диффузными функциями полноэлектронных базисных наборов выполнены расчеты кривых потенциальной энергии и собственных дипольных моментов ридберговских состояний эксиплексной молекулы NaHe. Полученные ab initio результаты количественно подтвердили волнообразное поведение межатомных потенциалов, предсказанное ранее в рамках теории неупругого рассеяния. 7. Выполнены квантово-химические расчеты энергетических и радиационных свойств синглетных и триплетных термов молекулы СаО, спин-разрешенные и интеркомбинационные электронные переходы, между которыми образуют «оранжевую» систему полос. Полученные результаты использованы для генерации списка линий, включающие частоты ровибронных переходов и коэффициенты Эйнштейна спонтанной эмиссии, который использовался для моделирования высокотемпературных спектров ЛИЭС. 8. Получены «поуровневые» константы сечения неупругих столкновений для переходов из всех связанных уровней основного электронного состояния молекулы водорода в ряд низколежащих колебательно-вращательных уровней молекулы HF. 9. В рамках по модификации установки регистрации спектров возбуждения флуоресценции молекул ПАУ выбрана оптимальная геометрия и материалы штока (полиацетат, фторопласт), обеспечивающие полную герметичность клапана в закрытом состоянии и хорошую стабильность работы в импульсном режиме. Изготовлен и встроен в газовую магистраль перед импульсным вакуумным клапаном подогреваемый резервуар для твердых образцов исследуемых соединений. Зарегистрирован и проанализирован тестовый спектр возбуждения флуоресценции молекулы нафталина, охлажденной в сверхзвуковой струе аргона. 10. В рамках теоретического исследования реакций образования молекул ПАУ предложен многоступенчатый механизм последовательного роста молекул ПАУ в низкотемпературных условиях МЗС через электронно-возбужденный мономер бензола, его эксимер, а также их катионов, рассмотренных в качестве промежуточных продуктов фотоиндуцированной десорбции бензольной ледяной мантии, образовавшейся на частицах космической пыли. Выполнены предварительные расчеты электронной структуры возбужденных электронных состояний мономера и димера бензола, выступающих в качестве прекурсоров реакций роста ПАУ. https://istina.msu.ru/projects/561083603/

Публикации