Теоретические исследования процессов поглощения и фотохимии и их применение в радиационных блоках климатических моделей

• Автор: Родимова, Ольга Борисовна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 258 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Поглощение в крыльях линий и полос
1.1. Введение
1.2. Экспериментально наблюдаемые закономерности поглощения в крыльях 20 линий
1.3. Теоретическое обоснование температурной и частотной зависимости коэффициента поглощения в крыльях спектральных линий
1.3.1. Вывод кинетического уравнения
1.3.2. Метод полуклассического представления в проблеме контура спектральной линии
1.3.3. Разделение асимптотических случаев в кинетическом уравнении
1.3.4. Выражение для контура спектральной линии при больших смещенных частотах
1.4. Классический потенциал межмолекулярного взаимодействия и зависимость коэффициента поглощения от температуры. Извлечение потенциала межмолекулярного взаимодействия из спектроскопических данных
1.5. Спектральная и температурная зависимость коэффициента поглощения в крыльях полос
1.5.1. Коэффициент поглощения СО2 в крыльях полосы 4.3 мкм.
1.5.1.1. Температурная зависимость коэффициента поглощения
1.5.1.2. Коэффициент поглощения в микроокнах полосы
1.5.1.3. Коэффициент поглощения в широком диапазоне температур
1.5.1.4. Универсальный контур для полосы 4.3 мкм СОг при самоуширении
1.5.2. Коэффициент поглощения СОг в крыльях полос 1.4 и 2.7 мкм
1.5.3. Коэффициент поглощения СОг в крыле полосы 15 мкм
1.5.4. Коэффициент поглощения СО в крыльях фундаментальной полосы
1.6. Поглощение крыльями линий Н2О в ИК -области спектра
1.6.1. Сравнение квазистатического и асимптотического подходов в описании крыльев линий
1.6.2. Коэффициент поглощения НгО в области 8-12 мкм.
1.6.3. Вариации формы контура в зависимости от полосы
1.6.4. Влияние формы контура на поглощение водяным паром в ближней ИК области спектра
1.7. Методика расчета поглощения в спектрах атмосферных газов
1.8. Использование особенностей температурного поведения коэффициентов поглощения в приложениях
Основные результаты
Литература к Главе 1
Глава 2. Применение рядов экспонент для расчета радиационных величин
2.1. Выражения для радиационных потоков в случае плоской стратифицированной атмосферы
2.2. Однородные среды
2.2.1. Два способа получения рядов экспонент
2.2.2. Алгоритм упорядочения коэффициентов поглощения для однородной

среды
2.3. Неоднородные среды
2.3.1. Точная формула для коэффициентов разложения функции пропускания в
ряд экспонент в случае неоднородной среды
2.3.2. Оценка корректности приближения с£-корреляции
2.4. Интегралы с функцией источника
2.5. Непосредственное выражение радиационных потоков через коэффициенты
рядов экспонент
2.6. О необходимой точности в расчетах радиационных потоков
2.7. Однопараметрические аппроксимационные формулы для функций пропускания
Основные результаты
Литература к Главе 2
Глава 3. О поведении кислородных составляющих в рамках реакций
1 п/:
озонного цикла
3.1. Исследование нелинейных явлений в химии атмосферы
3.2. Полный качественный анализ набора реакций чисто кислородной 182 атмосферы
3.2.1. Набор реакций для кислородной атмосферы
3.2.2. Уравнения озонного цикла в отсутствие излучения
3.2.3. Фазовые портреты для частных наборов реакций
3.2.4. Полный набор реакций
3.3. Малоразмерная модель кислородно - водородной атмосферы
3.3.1. Выбор простой модели
3.3.2. Сравнение с результатами реалистичной модели
Основные результаты
Литература к Главе 3
Глава 4. Влияние изменений радиационных характеристик на высотный
ход температуры
4.1. Исследование нелинейных явлений в простых радиационных климатических моделях
4.2. Динамика радиационной модели с малым числом слоев
4.2.1. Динамика двухслойной радиационной модели
4.2.2. Двухслойная модель с альбедо, зависящим от температуры
4.2.3. Радиационная модель с четырьмя атмосферными слоями
4.3. Радиационная модель с явной зависимостью от температуры
4.3.1. Формулировка модели
4.3.2. Вычисление радиационных потоков
4.4. Исследование устойчивости высотного хода температуры 23
4.4.1. Тестовые расчеты высотного профиля температуры
4.4.2. Устойчивость высотного хода температуры при учете температурной зависимости альбедо
4.4.3. Устойчивость высотного хода температуры при вариациях концентраций газовых составляющих атмосферы
Основные результаты
Литература к Главе 4
Заключение

Введение
В последнее время становится доступным решение многих важных проблем, которые ранее казалось невозможным даже и ставить. К таким проблемам относится, в частности, проблема климата. Она целиком лежит в предметной области физики, однако, многообразие факторов, влияющих на климат, настолько велико, что только появление больших вычислительных ресурсов позволило приняться за ее решение с достаточной степенью строгости. Основным инструментом исследования климата является моделирование, и наличие компьютеров позволило достичь в течение последних десятилетий большого совершенства в детализации описания процессов, протекающих в земной климатической системе. Можно предположить, что с прогрессом вычислительной техники климатические модели будут способны почти точно воспроизводить природные явления, обеспечивая и необходимые прогнозы погоды, и наступление глобальных изменений климата. С точки зрения физики на этом пути нет принципиальных препятствий. Однако, платой за успех может быть время счета, сравнимое со временем реального протекания описываемых процессов, и практически такая же возможность вычленить из получившегося результата основные приведшие к нему закономерности, какая существует и при непосредственном наблюдении природного феномена. Такая ситуация вряд ли могла бы устроить физиков, для которых в проблеме климата самым интересным является взаимодействие известных природных процессов между собой, а также следствия, к которым может привести это, чаще всего, нелинейное взаимодействие. Для решения такого типа задач глобальная точность описания не является обязательным условием, напротив, она может оказаться помехой.
Необходимость проведения аккуратных расчетов в обосновании не нуждается, и этот путь исследования климатических процессов, несомненно, и дальше будет развиваться. Но к проблеме климата можно подойти и с другой стороны. Именно, при изучении различных физических процессов, вносящих вклад в формирование климата, важно знать те болевые точки, в которых могли бы произойти резкие изменения климатических характеристик, до определенного времени себя не проявляющие. В ряде случаев будет достаточно получить ответ типа “да - нет”, то есть требования к точности расчета могут быть значительно снижены.

1.3.3. Разделение асимптотических случаев в кинетическом уравнении
Выше был описан строгий вывод кинетического уравнения для формы линии (см. уравнение (1.14)), основанный на методе Цванцига [4]. Кардинальное упрощение этого уравнения возможно только при условии факторизации матрицы плотности. Далее было рассмотрено преобразование кинетического уравнения для формы линии (1.14) к виду, удобному для последующего выделения асимптотических случаев (уравнение (1.33)) , используя упомянутую факторизацию матрицы плотности. Конечный вид самого кинетического уравнения был получен в [21] из других соображений, включая эвристические моменты. Вывод, приводимый в [23], содержит точно оцениваемые приближения.
В итоге кинетическое уравнение приобретает вид (С - оператор, введенный в (1.22))
т0(т) + МР1 +^[Н{,0} = ^ + т2Гд-~[н1,[ньУО}], (1.35)
00 ( Г'
Л"е= 1 Тг2 С

|с~‘ , (1.36)

У<2 = Л еш (тг2 СР0С"1) . (1.37)

Если произвести переход к базису собственных функций Н, из (1.35)-(1.37) получается система уравнений для матричных элементов ()тп
'{®~®пт)Опт + МПт{Р)т={ХО)пт+{<£>-(Ьнт)2 {Г0)„т, (1-38)
где 0)пт = {Еп~Ет)/П, с очевидными обозначениями.
Уравнение (1.38) оказывается кинетическим уравнением такого вида, в котором разделение асимптотических случаев, отвечающих большим и малым смещенным частотам, появляется в его коэффициентах. Анализ величин этих коэффициентов - довольно сложная задача. Оценки, сделанные в [21] (§9, Гл. 2, §1-5, Гл. 3) позволяют нам проиллюстрировать схематически результаты этого анализа (см. Рис. 1.1, где показаны относительные величины коэффициентов при Qmn справа в (38) как функции смещенной частоты. Представим несколько качественных аргументов в пользу утверждения, что различные члены в (1.35) и (1.38) относятся к различным асимптотическим случаям.
Прежде всего сравним (1.36) с теми выражениями, которые преимущественно используются при обсуждении довольно тонких особенностей теории крыльев линий, таких, как интерференция квантовых состояний, модели столкновений, взаимодействие молекул с сильным полем, и т.п. (см., например, [110-112]). Можно показать [23], что