Спектр поглощения молекулярного кислорода в миллиметровом диапазоне: измерение и моделирование профиля поглощения в широком интервале температур

• Автор: Макаров, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Б.м.
• Количество страниц: 101 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Спектр молекулярного кислорода в миллиметровом диапазоне длин

волн при атмосферном давлении

1.1 Спектральные линии молекулярного кислорода в мм-диапазоне

1.2 Общие принципы описания формы спектральных линий и полос

1.3 Эффект столкновительпой связи линий

1.3.1 Описание проявления эффекта столкновительпой связи в рамках

теории возмущений

1.3.2 Применение формализма функций памяти для описания проявления эффекта столкновительпой связи линий
1.4 Выводы
Глава 2. Методика экспериментального исследования мм-спектра молекулярного
кислорода в атмосфере в широком диапазоне температур с помощью резонаторного спектрометра
2.1 Принцип работы резонаторного спектрометра
2.2 Методика измерения коэффициента поглощения
2.3 Особенности работы резонаторного спектрометра при проведении измерений
в широком диапазоне температур
2.4 Выводы
Глава 3. Анализ экспериментальных данных. Создание улучшенной модели поглощения Ог в мм-диапазоие
3.1 Изолированная линия па частоте 118.75 ГГц
3.2 Полоса поглощения вблизи частоты 60 ГГц
3.2.1 Анализ данных с помощью модели варьируемого взаимодействия
ветвей
3.2.2 Усовершенствование модели МРМ

3.2.3 Сравнение расширенной модели МРМ с результатами измерений в
субмиллиметровом диапазоне
3.3 О возможности дальнейшего повышения точности моделирования
3.4 Выводы
Заключение
Литература

Введение
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 радиометрических измерений. Для проведения измерений используется различная техника, базирующаяся как па наземных станциях [1, 2], так и па летательных аппаратах (например, ER2 и Proteus [3], DiBar [4]) и искусственных спутниках Земли (ODIN [5], EOS MLS [6], MASTER [7], MHS [8] и др.), а для восстановления необходимых параметров по результатам измерений — модельные зависимости (профили) коэффициента поглощения от частоты для различных газов (в первую очередь, тех, что входят в состав атмосферы), в том числе, миллиметрового (мм) и субмиллиметрового (субмм) диапазонов длин волн. Основной вклад в поглощение электромагнитных воли в атмосфере Земли вносят молекулярный кислород и водяной пар. Данные о переходах тонкой структуры молекулы кислорода в миллиметровом диапазоне длин волн вблизи 60 и 118.75 ГГц используются для восстановления вертикального профиля температуры атмосферы [9] и измерения давления на поверхности Земли с помощью бортового оборудования [4, 10]. Также для восстановления вертикального профиля температуры используют, например, данные о чисто вращательных переходах молекулы кислорода в субмиллиметровом диапазоне на частотах 487.2 и 2502.3 ГГц. Данные об изолированной линии молекулярного кислорода на частоте 118.75 ГГц, кроме того, используются для поиска молекулярного кислорода в астрономических объектах.
При прохождении излучения сквозь толщу атмосферы наблюдаются сложные профили линий и полос поглощения атмосферных газов. Для их интерпретации с помощью моделей поглощения необходимы лабораторные измерения констант, характеризующих столкиовительное взаимодействие молекул, влияющее на профили соответствующих переходов: параметров уширепия, сдвига и столкповителыгой связи спектральных линий. От точности знания перечисленных параметров непосредственно зависит

Первый подход заключается в использовании теории возмущений для построения спектральной функции. При этом действие оператора, определяющего столкно-вительпое взаимодействие, представляется в виде ряда по степеням давления. Такое представление подразумевает введение поправок, пропорциональных степеням давления, описывающих проявление эффекта столкновительной связи линий, к профилю каждой линии. Число дополнительных коэффициентов столкновительной связи, необходимых в данном случае, пропорционально числу линий, учитываемых в модели. При этом не исключается корреляция коэффициентов столкновительной связи как между собой, так и с другими параметрами, такими как коэффициенты уширения и интенсивности линий. Тем не менее, Ф.Розенкранц, автор методики расчёта коэффициентов столкновительной связи, упоминает, что число степеней свободы при определении их значений заметно меньше, чем число линий, учитываемых при моделировании [17, 20].
Второй подход к описанию проявления эффекта столкновительной связи линий основывается на описании взаимного влияния различных ветвей или серий линий как единых объектов. В рамках такого подхода число параметров, характеризующих проявление эффекта столкновительной связи, существенно меньше (в описании исследуемой полосы поглощения молекулярного кислорода используется два параметра), корреляция введенных параметров между собой также невелика. Тем не мепее, в главе 3 будет показано, что данный способ описания учитывает только часть вклада эффекта столк-новительной связи и сравним по точности с учетом проявления столкновительной связи линий в виде поправок, пропорциональных давлению в первой степени, в рамках метода, упомянутого в предыдущем абзаце.
Следует отметить, что оба подходя являются, по сути, различными формами записи корреляционной функции диполыгого момента и показывают, что эффекты столк-новительного уширепия и столкновительной связи линий всегда возникают совместно, с той лишь разницей, что проявление эффекта столкновительной связи заметно лишь в тех случаях, когда профили линий значительно перекрываются.