大连化物所利用自由电子激光揭示了水分子的光解在大气辉光中的作用

近日，大连化物所分子反应动力学国家重点实验室袁开军研究员、杨学明院士团队，与Bristol大学Michael N. R. Ashfold院士、Leeds大学John M. C. Plane教授合作，在水分子的光解动力学研究方面取得新进展，发现了高振动激发的OH（X）产物，并建立模型讨论了水分子光解对大气辉光的贡献。

地球的天空中不断地产生一种微弱的发光，称为大气辉光，这是由太阳辐射与高层大气中的原子和分子发生光化学反应产生的。虽然亮度远远弱于明亮的极光，但大气辉光为大气中发生的各种物理和化学过程研究提供了重要的参考信号，大气辉光的研究推动了高层大气物理学的发展。OH辉光是地球大气中间层最重要的辉光辐射之一，被称为Meinel谱带，由天文学家Aden B.Meinel于1950年在夜间使用地面光谱仪首次发现。迄今为止，已证实了1700多条OH-Meinel谱线，并将其归属为OH的高振动能级到基态能级之间的跃迁，主要是从OH的ν≤9的振动能级辐射出的谱线。目前人们普遍认为高空大气中振动激发的OH来源于H和O3的反应。然而，最近观测到的一些OH发射谱线来源于更高的振动能级，同时还观测到了夜间没有观测到的OH日辉光的双层结构。

H2O的光解是星际中OH自由基重要的来源之一。近日，研究人员利用自由电子激光结合高分辨的H原子高里德堡标识飞行时间谱技术研究了H2O分子112.8nm附近的光解动力学，实验结果显示，大部分OH（X）产物是高振动激发的，最高的振动能级可以布居到v=15，内态能量接近OH自由基的解离能。John M. C. Plane等人利用实验获得的H2O光解数据，结合H2O、H、O3、OH、CO2等气体浓度和温度在地球和火星上的垂直分布，以及太阳光辐射通量，建立大气化学模型。模拟结果发现，对于地球这种富氧环境，H+O3的反应是高振动OH（X）自由基的主要来源，而对于火星这种贫氧环境，H2O的光解则是主要来源。同时还模拟了OH（X）辉光的发射光谱，这有助于在星际观测中发现OH自由基。

相关成果发表在《物理化学快报》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。该工作得到国家自然科学基金委动态化学前沿研究中心项目、中国科学院战略性先导专项（B类）“能源化学转化的本质与调控”﹑自然科学基金优青项目等资助。（文/图 常尧）