Прецизионные измерения параметров молекулярных линий и параметризация континуального поглощения в ММ/СУБММ диапазоне для атмосферных приложений

• Автор: Кошелев, Максим Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Б.м.
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Глава 1. Моделирование поглощения мм/субмм излучения в земной атмосфере и необходимые параметры молекулярных линий атмосферных газов
1.1 Спектр атмосферного поглощения
1.2 Профиль поглощения: форма и параметры линии
1.3 Континуальное поглощение
1.4 Выводы
Глава 2. Спектрометры низкого и высокого давления
2.1 Введение
2.2 Спектрометр РАД
2.2.1 Устройство и принцип работы спектрометра
2.2.2 Аппаратная функция спектрометра
2.2.3 Характеристики спектрометра
2.3 Резонаторный спектрометр
2.3.1 Устройство и принцип работы спектрометра
2.3.2 Принцип измерения поглощения
2.3.3 Особенности работы спектрометра в субмм диапазоне
2.3.4 Характеристики спектрометра и сравнение с существующими
мировыми аналогами
2.4 Выводы
Глава 3. Спектр молекулы кислорода
3.1 Введение
3.2 Параметры линий тонкой структуры кислорода
3.2.1 Уширение линий давлением Ог, N2 и воздуха
3.2.1.1 Исследование при низком давлении
3.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении
3.2.2 Сдвиг линий давлением
3.2.3 Центральные частоты линий и молекулярные константы

3.2.4 Интенсивность линий
3.2.5 Параметры интерференции линий
3.2.6 Температурная зависимость параметров линии У
3.3 Выводы
Глава 4. Поглощение мм/субмм излучения в водяном паре: параметры линий и континуума
4.1 Введение
4.2 Параметры линий воды субмм диапазона
4.2.1 Уширение и сдвиг линий давлением О2, N2 и воздуха
4.2.1.1 Исследование при низком давлении
4.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении
4.2.2 Интенсивность линий
4.3 Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом
4.3.1 Эксперимент при комнатной температуре
4.3.2 Эксперимент при низких температурах
4.3.3 Анализ полученных данных
4.4 Выводы
Заключение
Библиография

Глобальный мониторинг атмосферы Земли, получение данных для прогнозирования погоды и предсказания изменений климата, дистанционное зондирование влажности почвы, солености поверхности океана и пр. осуществляются, в конечном счете, с помощью микроволновых и инфракрасных (ИК) радиометрических измерений. Для этих целей используется различная техника (рис. 1), базирующаяся как на наземных станциях [1], так и на летательных аппаратах (например, ER2 и Proteus [2]) и искусственных спутниках Земли (ODIN [3], EOS MLS [4], MASTER [5] и др.) и спектральные линии различных газов, в том числе миллиметрового (мм) и субмиллиметрового (субмм) диапазонов длин волн. Так, например, для восстановления вертикального профиля температуры атмосферы используются как мм переходы тонкой структуры молекулы кислорода вблизи 60 и 118 ГГц, так и чисто вращательные субмм переходы на частотах
487.2 и 2502.3 ГГц. Для определения профиля влажности атмосферы Земли разными инструментами используются вращательные переходы молекулы Н2160 мм и субмм диапазонов на частотах 22.2, 183.3, 325.1, 380.2 ГГц и др. Кроме того, для задач дистанционного зондирования [6] необходимо знание так называемого континуального поглощения водяного пара в смеси с азотом и кислородом, что представляет собой отдельную физическую проблему.
Для интерпретации наблюдающихся со спутника сложных профилей атмосферных линий необходимы лабораторные измерения констант столкновительного взаимодействия соответствующих молекулярных переходов; уширения, сдвига и столкновительной связи (интерференции) спектральных линий, от точности знания которых непосредственно зависит точность извлекаемой информации. Для накопления и обобщения наиболее точных на сегодняшний день результатов экспериментальных и теоретических исследований параметров линий создаются спектроскопические базы данных, такие как HITRAN [7], GEISA [8], JPL [9], MASTER [5] и др. Однако следует отметить, что и по сей день содержащаяся в них информация о параметрах линий остается неполной. Так, например, практически во всех вышеупомянутых базах данных, отсутствует информация о столкновигельных параметрах сдвига и интерференции линий. Отчасти это обусловлено тем, что еще не до конца развит аппарат теоретического расчета этих параметров, а имеющиеся экспериментальные данные разных авторов даже для одного конкретного перехода сильно разнятся между собой. Например, для важной диагностической линии поглощения водяного пара на 183 ГГц, используемой на многих станциях зондирования

•8-

1 I-

Частота [ГГц]
60.30 60.31 60

60.28 60.29 60.30 60.31 60.32 60.33 60
Частота [ГГц]
Рис. 2.8. (а) Экспериментальная запись сигнала аппаратной функции спектрометра üannipy), полученная при разных давлениях р азота в ячейке.
(б) Отношение аппаратных функций aa„„(p,v)/aam(po,v), где ро = 3.628 Topp. Сплошные тонкие горизонтальные линии - среднее значение отношения аппаратных функций.