Quá trình hình thành H2O2 (hydro peroxide) từ H2O (nước) dưới tác động của bức xạ VUV (tia cực tím chân không) đã được thảo luận bởi nhiều nhà khoa học. Gerakines và cộng sự đã đề xuất một cơ chế, sau đó Loeffler và cộng sự so sánh với sự hình thành H2O2 do ion. Quá trình này diễn ra thông qua phản ứng OH + OH → H2O2. Sự phụ thuộc bậc hai của ({S}_{{H}_{2}{O}_{2}}) vào thông lượng VUV cho thấy đây là một phản ứng bậc hai, tức là cần hai photon để tạo ra một phân tử H2O2. Các photon này phải tạo ra hai gốc OH gần nhau do tính di động cực thấp của OH trong băng nước dưới 80K.
Sự bão hòa của ({S}_{{H}_{2}{O}_{2}}) sau khoảng 1 giờ chiếu xạ tương ứng với trạng thái cân bằng quang hóa, khi quá trình quang hóa được cân bằng bởi sự suy giảm quang hóa do các phản ứng H2O2 + hv → 2OH và H2O2 + OH → H2O + HO2.
Trong trường hợp băng H2O:O2, sự phụ thuộc tuyến tính của ({S}_{{H}_{2}{O}_{2}}) vào thông lượng VUV cho thấy cơ chế hình thành H2O2 khác với trường hợp trên. Loeffler và Hand and Carlson cũng quan sát thấy hành vi tương tự của ({S}_{{H}_{2}{O}_{2}}) trong băng H2O được chiếu xạ bởi các ion và electron năng lượng cao. Để giải thích điều này, người ta cho rằng hai gốc OH có thể được tạo ra trong một vùng ion hóa do ion gây ra.
Tuy nhiên, cơ chế này không thể áp dụng trực tiếp vào trường hợp chiếu xạ VUV. Tuy nhiên, theo Loeffler và Hand and Carlson, có thể suy đoán rằng tốc độ hình thành H2O2 trong băng H2O:O2 được chiếu xạ bởi photon VUV tỷ lệ với cường độ VUV và nồng độ của H2O và O2. Nói cách khác, cần một photon, một phân tử H2O và một phân tử O2 để tạo ra một phân tử H2O2. Mặt khác, O2 là tạp chất trong băng H2O, và thường thì hai phân tử O2 được ngăn cách bởi các phân tử H2O. Vì vậy, khó có thể hình dung rằng các phân tử O2 này có thể tham gia vào việc hình thành một phân tử H2O2 do tính di động cực thấp của các chất trung gian (như OH và HO2) trong băng nước dưới 80 K.
Do đó, có thể kết luận rằng hiệu suất lượng tử quang hóa H2O2 bên trong băng H2O:O2 được chiếu xạ VUV tỷ lệ với nồng độ tương đối của O2 (O2/H2O), khi O2/H2O (ll ) 1.
Trong trường hợp băng H2O:O2, sự phụ thuộc của mật độ cột H2O2 (({N}_{{H}_{2}{O}_{2}})) và ({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}) vào nhiệt độ cho phép ước tính thời gian tồn tại quang hóa của H2O2 (({tau }_{{H}_{2}{O}_{2}})) bằng cách sử dụng điều kiện cân bằng quang hóa ({tau }_{{H}_{2}{O}_{2}}cdot {N}_{{H}_{2}{O}_{2}}={gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}cdot {I}_{alpha }). ({tau }_{{H}_{2}{O}_{2}}) đạt cực đại ở 60–80 K, và sự tăng nhiệt độ từ 20 đến 60 K làm tăng đáng kể ({tau }_{{H}_{2}{O}_{2}}). Để giải thích điều này, cần xem xét rằng sự suy giảm quang hóa H2O2 là do các phản ứng (1) H2O2 + hv → 2OH và (2) H2O2 + OH → H2O + HO2. Do đó, ({tau }_{{H}_{2}{O}_{2}}={({R}_{1}+{R}_{2}cdot OH)}^{-1}), trong đó R1,2 là các hệ số tốc độ phản ứng tương ứng. Loeffler và cộng sự đã đo sự mất mát của H2O2 trong H2O:H2O2 ở nhiệt độ từ 21 đến 145 K do photon UV (193 nm) gây ra. Họ nhận thấy rằng sự phụ thuộc của tiết diện quang phân hủy H2O2 (({sigma }_{{H}_{2}{O}_{2}})) vào nhiệt độ có giá trị tối thiểu ở ~70 K, lớn hơn ~5 và ~3 lần so với ({sigma }_{{H}_{2}{O}_{2}}) ở 20 K và 145 K tương ứng.
Do đó, có thể suy đoán rằng sự phụ thuộc phi tuyến tính của ({sigma }_{{H}_{2}{O}_{2}}) vào nhiệt độ là do sự phụ thuộc mạnh mẽ và không tầm thường của tiết diện quang phân hủy H2O2 vào nhiệt độ bởi bức xạ của đèn, điều này xác định giá trị của R1.
Ở nhiệt độ tương đối cao >60 K, H2O2 chỉ được quang hóa trong băng H2O:O2. Các giá trị ước tính của ({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}) bên trong băng này có thể được sử dụng để đánh giá tác động của photon Lyman-α lên băng nước và đóng góp của nó vào sản xuất H2O2 trong các ứng dụng khác nhau.
Trong vật lý thiên văn, chiếu xạ VUV cạnh tranh với sự bắn phá của các hạt năng lượng. Moore và Hudson và Cooper và cộng sự đã đo sản lượng H2O2 bên trong hỗn hợp băng H2O:O2 = 6:1 được chiếu xạ bằng proton 0,8 MeV. Người ta thấy rằng giá trị G (được định nghĩa là số lượng phân tử H2O2 được tạo ra trên một đơn vị năng lượng hấp thụ) thay đổi trong khoảng 0,2–0,4 phân tử/100 eV ở 50–100 K, gần với giá trị G của photon Lyman-α ở 50–100 K thu được. Do đó, đóng góp của photon Lyman-α vào sản xuất H2O2 được xác định bởi tỷ lệ giữa thông lượng năng lượng của photon (*EFph) và hạt năng lượng (EFep). Trong trường hợp EFph~EFep, photon tạo ra lượng H2O2 bên trong băng tương đương với hạt. Độ sâu xâm nhập của photon Lyman-α (~45 nm) trong băng nước nhỏ hơn đáng kể so với proton, phụ thuộc vào năng lượng của nó (ví dụ, 1–2 μm đối với proton 0,1 MeV và 22 μm đối với proton 1 MeV). Do đó, có thể kỳ vọng nồng độ H2O2 tương đối cao ở vài chục nm trên cùng do photon Lyman-α gây ra. Điều này có nghĩa là sản xuất H2O2 bởi photon VUV có thể quan trọng khi EFph/EFep* ≥ 10−2.
Trong vùng trung quyển của khí quyển Trái Đất, *EFph (gg ) EFep*. Tuy nhiên, hiện tại không có thông tin về sự chứa O2 bên trong băng nước của Mây Dạ Quang (NLC). NLC được hình thành do sự va chạm động học khí của các phân tử H2O với bề mặt của sol khí trung quyển, bao gồm các đặc tính hấp phụ và khử hấp phụ. Đây thường là một quá trình tương đối chậm, với thời gian đặc trưng (2–20 giờ) phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong điều kiện thực tế của trung quyển mùa hè, nồng độ H2O trong pha khí nhỏ hơn 4 bậc so với nồng độ O2 ở trạng thái cơ bản (triplet) và nhỏ hơn nồng độ O2 ban ngày ở trạng thái singlet ((2–4)·109 cm−3 ở 80–85 km). Các phân tử O2 ở trạng thái cơ bản và kích thích, giống như các phân tử H2O, liên tục bắn phá bề mặt của các hạt mây đang hình thành, hấp phụ trên bề mặt của chúng và có thể bị giữ lại bên trong cấu trúc băng khi các hạt NCL được bao phủ bởi các lớp băng mới. Điều này cho thấy rằng một phần nhỏ các phân tử O2 từ pha khí có thể được hấp thụ bởi cấu trúc mây đang hình thành. Rất khó tin rằng nồng độ tương đối của O2 bên trong các hạt NCL (({O}_{2}^{NLC})) có thể bằng 10% ở nhiệt độ cao như vậy. Tuy nhiên, có thể ước tính giá trị tối thiểu của ({O}_{2}^{NLC}) mà tại đó nồng độ H2O2 quang hóa có thể so sánh với nồng độ pha khí của thành phần này.
Giả sử rằng ({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}) là hiệu suất lượng tử quang hóa H2O2 chưa biết trong các hạt NCL. Khi đó, tốc độ sản xuất H2O2 trên 1 cm3 ở một độ cao nhất định được xác định bởi ({P}_{{H}_{2}{O}_{2}}={gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}cdot {S}_{Mie}cdot {I}_{alpha }), trong đó *Iα là cường độ thông lượng cục bộ của photon Lyman-α và SMie là tiết diện hấp thụ Mie của NLC, SMie ≈ SNLC/4, trong đó SNLC là mật độ bề mặt NLC. Theo dữ liệu đo lường dài hạn (1998–2005) bằng lidar ALOMAR RMR ở Bắc Na Uy (69○ B, 16○ Đ), ở độ cao 81–86 km, SNLC thay đổi trong khoảng (3–6)·10−8 cm2/cm3. Với điều kiện ở những độ cao này trong điều kiện hoạt động trung bình của mặt trời Iα~3 · 1011 photon/(cm2·s), ta thu được ({P}_{{H}_{2}{O}_{2}}) ~ (2,25–4,5)·103·({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}) phân tử/(cm3·s). Trong điều kiện thực tế của trung quyển, các hạt NLC cũng được chiếu xạ bởi photon mặt trời UV, dẫn đến sự quang phân ly H2O2 trong pha rắn với hiệu quả gần với quá trình này trong pha khí. Đối với phạm vi độ cao 81–86 km, hằng số quang phân ly của H2O2 trong pha khí ({R}_{{H}_{2}{O}_{2}}) là ~1,5 10−4 s−1. Do đó, nồng độ cân bằng của H2O2 có thể tích lũy trong các hạt mây được chiếu xạ bởi photon Lyman-α là ({P}_{{H}_{2}{O}_{2}}/{R}_{{H}_{2}{O}_{2}},) = (1,5–3)·107·({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}) cm−3. Gumbel và cộng sự đã báo cáo giá trị tối đa của SNLC*~10−7 cm2/cm3, cho ước tính giá trị tối đa của ({P}_{{H}_{2}{O}_{2}}) và nồng độ cân bằng của H2O2 là 7,5 · 103·({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}) phân tử/(cm3·s) và 5 · 107·({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}) cm−3 tương ứng. Trong điều kiện tồn tại NLC, giá trị điển hình của nồng độ H2O2 pha khí là ~2 · 105 cm−3 ở 81 km và giảm khi tăng độ cao xuống giá trị nhỏ hơn 104 cm−3 ở 86 km.
Do đó, giá trị tối thiểu của ({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}), mà tại đó nồng độ H2O2 quang hóa bằng 104 cm−3, tương ứng với 2 · 10−4 phân tử/photon. Theo các kết luận trên, hiệu suất lượng tử quang hóa H2O2 bên trong băng H2O:O2 tỷ lệ với nồng độ tương đối của O2. Với các giá trị đo được của ({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}) bên trong băng H2O:O2 = 9:1 ở nhiệt độ 120–140 K, có thể ước tính rằng giá trị tối thiểu của ({gamma }_{{H}_{2}{O}_{2}}^{NLC}) = 2·10−4 phân tử/photon tương ứng với ({O}_{2}^{NLC}) ~ (0,065–0,22)% (tức là nồng độ tuyệt đối của O2 trong NLCs ~(1,4–4,9)·105 cm−3) tại ({A}_{{H}_{2}{O}_{2}}) và ~(0,11–0,38)% (nồng độ tuyệt đối ~(2,5–8,3)·105 cm−3) tại ({A}_{{H}_{2}{O}_{2}}) . Lưu ý rằng các giá trị ước tính của nồng độ tuyệt đối O2 trong NLCs nhỏ hơn vài bậc so với nồng độ pha khí điển hình của thành phần này ở trạng thái cơ bản và singlet ở độ cao 81–86 km.
Tóm lại, chúng tôi đã chứng minh rằng, nếu các hạt NLC chứa ≥0,1% O2, các quá trình lý hóa xảy ra trong chúng có thể ảnh hưởng đáng kể đến thành phần hóa học của vùng trung quyển. Một mặt, đây có thể là một lời giải thích có thể cho kết quả của các phép đo khối phổ kế tên lửa trước đây, chỉ ra sự gia tăng nồng độ H2O2 trong các đám mây. Mặt khác, H2O2, sản phẩm của sự quang phân ly UV của nó (OH), H2O, O2 và các tạp chất khác (ví dụ, CO2) có thể tham gia vào các phản ứng tiếp theo tạo ra các hợp chất hóa học phức tạp hơn bên trong NLC, như xảy ra, ví dụ, trong khối lượng các hạt nước siêu lạnh. Hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ kích thích các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết sâu hơn về thành phần hóa học của các hạt mây. Lưu ý rằng các kết quả thu được cũng rất thú vị đối với các ứng dụng vật lý thiên văn, ví dụ: để đánh giá sự đóng góp của chiếu xạ VUV vào sản xuất H2O2 ở Hệ Mặt Trời bên ngoài và không gian giữa các vì sao tùy thuộc vào nhiệt độ.
