Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона

• Автор: Пташник, Игорь Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 248 с. : ил.

Глава 1. Эффективный алгоритм полинейного расчета пропускания и потоков солнечной радиации в атмосфере

1.1. Основные формулы для полинейного расчета пропускай ия

1.2. Оптимизация алгоритма полинейного расчета пропускания

а) Тестирование разных алгоритмов расчета контура Фойгта

б) Оптимизация частотной сетки

в) Предварительный отбор (селекция) линий поглощения

г) Редукция неоднородной трассы к однородной

д) Результаты моделирования

1.3. Учет континуального поглощения водяного пара

1.4. Расчет радиации (LBLhoa + D1SORT)

1.5. Результаты тестирования программ LBLhoa и DISORT

а) Сравнение LBLhoa с RFM (Reference Forward Model, Англия)
б) Сравнение LBLhoa + DISORT с эталонными расчетами радиации
Основные результаты и выводы
Глава 2. Численная оценка спектральных интервалов, перспективных для регистрации континуума водяного пара и димеров воды в ближнем ИК диапазоне
2.1. Континуум водяного пара
а) Методика определения оптимальных спектральных интервалов
б) Водяной пар в смеси с воздухом (“foreign-continuum”)
в) Чистый водяной пар (“self-continuum”)
г) Анализ результатов
2.2. Димеры воды
а) Димеры в чистом водяном паре (самоуширение)
б) Димеры в водяном паре в смеси с воздухом (уширение воздухом)
в) Поглощение солнечной радиации в атмосфере
Основные результаты и выводы
Глава 3. Лабораторные исследования континуального поглощения водяного пара в центрах полос ближнего ИК диапазона. Проверка «димерной гипотезы»
3.1. Полоса поглощения 5000-5600 см'1 (1.8-2 мкм) /Фурье-спектрометр; водяной пар
а) Эксперимент
б) Предварительная обработка результатов эксперимента
в) Димеры воды и CKD-модель континуума
г) Выводы
3.2. Подгонка параметров линий водяного пара в интервале 5000-5600 см'1
а) Процедура подгонки
б) Результаты и обсуждение
в) Выводы
3.3. Измерение в области 14400 см'1 (0.694 мкм) /ОА-спектрометр; водяной пар в азоте
а) Техника и методика измерений
б) Методика определения коэффициента континуального поглощения
в) Выводы
3.4. Измерение в области 11111 см'1 (0.900 мкм) /ОА-спектрометр; водяной пар в азоте
а) Эксперимент
б) Результаты и обсуждение
в) Выводы

3.5. Измерение в области 10611 и 10685 см'1 (0.94 мкм) /спектрометр внутрирезонаторного затухания; водяной пар в азоте
а) Эксперимент
б) Результаты и обсуждение
в) Выводы
Основные результаты и выводы
Глава 4, Поглощение излучения димерами воды и континуумом водяного пара: анализ имеющихся экспериментальных данных
4.1. Измерения при высоких давлениях и температурах
а) 5000-5600 см'1 (Поберовский, 1976)
б) 3400-4000 см'1 (Ветров, 1975; Поберовский, 1976; Vigasin и др., 2005)
4.2. Лабораторные измерения при температурах близких к комнатньм
а) 5000-5600 cm'1 (Ptashnik и др., 2004)
б) 3100-4200 cm'1 (Burch, 1985)
в) Современные измерения в полосе 3100-4200 cm'1 (Paynter и др., 2007)
4.3. Полоса поглощения водяного пара 1600 см'1
4.4. Крылья полос поглощения
4.5. Измерения в атмосфере: 13340 см"1 (Pfeilsticker и др., 2003)
Основные результаты и выводы
Глава 5. Влияние погрешности в спектроскопической информации по водяному пару на точность расчета потоков солнечной радиации в безоблачной атмосфере.
Вопрос об «аномальном» поглощении
5.1. Селективное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК диапазона.
База данных ES А
а) Измерение в полосах v+8 (5300 см'1), 2v (7100 см'1) и 2v+5 (8800 см'1)
б) Сравнение с HITRAN-2000
в) Влияние обновления параметров линий на расчет поглощения солнечной радиации
г) Выводы
5.2. Влияние эволюции спектроскопических параметров водяного пара на расчет поглощения солнечной радиации в атмосфере
а) Используемые данные и программы
б) Разные версии базы данных HITRAN
в) Разные версии CKD-модели континуума водяного пара
г) Слабые линии Schwenke-Partridge (S&P)
д) Возможный вклад димеров воды
е) Выводы
5.3. К вопросу об аномальном поглощении в атмосфере
Основные результаты и выводы
Заключение
Литература
Приложение
Основное содержание и актуальность работы
Основные этапы диссертационной работы выполнялись в Институте оптики атмосферы (ИОЛ) СО РАН в период 1993-2006 гг. в рамках научных направлений «Спектроскопия атмосферных газов» и «Радиационные процессы в атмосфере», являющихся разделами современной атмосферной оптики и геофизики атмосферы (Гуди (1966) [1], Зуев и др. (1987, 1996) [2, 3]). Актуальность этих направлений обусловлена как широким использованием лазерных источников для мониторинга природных и техногенных сред (Зуев и др. (1970) [4]), так и процессами глобального потепления климата и возникшей в связи с этим необходимостью более точной оценки радиационного вклада в этот процесс.
Катализатором данной работы явились новые достижения в области экспериментальной спектроскопии, а также - новейшие теоретические разработки в области квантовой химии, позволяющие получать спектроскопическую информацию не только о молекулах традиционно исследуемых атмосферных газов, но и о более сложных молекулярных комплексах, в том числе - комплексах воды.
Водяной пар, несмотря на свое относительно малое парциальное содержание в земной атмосфере (0.5-4%), является наиболее важным компонентом, обусловливающим ее радиационный баланс (Гуди [1], К1еЫ и ТгепЬегШ (1997) [5]). Полосы поглощения водяного пара и области между ними («крылья» полос), называемые также «окнами прозрачности» атмосферы, поглощают до 70-80% солнечного излучения падающего на атмосферу (рис. В1). Водяной пар является также одним из наиболее важных парниковых газов в атмосфере.
Атмосферный спектр водяного пара состоит из сотен тысяч линий вращательных и колебательно-вращательных переходов, покрывающих спектральный диапазон от микроволн до ультрафиолета. Такое богатство спектра обусловлено, главным образом, двумя факторами. Во-первых, будучи асимметричным волчком, молекула воды обладает большим постоянным дипольным моментом, а также имеет три вращательных моды с существенно отличными вращательными постоянными. Это приводит к наличию сложной вращательной и колебательно-вращательной структуры и, соответственно, к богатому длинноволновому спектру. Во-вторых, из всех атмосферных газов молекула воды является единственным асимметричным волчком, который имеет на периферии только два легких атома водорода. Большая амплитуда колебаний легких водородных атомов обусловливает сильную нелинейность осцилляций в молекуле воды. Это снимает обычное для линейного осциллятора правило запрета на изменение колебательного квантового числа ДУ на единицу (в молекуле воды ДУ может достигать ±8) и делает колебательный спектр молекулы воды гораздо более широким и сложным, чем у большинства других небольших молекул атмосферных газов. Наличие только легких водородных атомов около атома кислорода означает также, что молекула воды является очень легким волчком, т.е. обладает малым

Для обоих условий LBLhoa расчет спектров оптической толщи вертикальных слоев атмосферы был сделан с использованием базы параметров спектральных линий HITRAN-96 [175], с учетом модели континуума CKD-1 (Clough и др. [158]), метеомодели MLS (“Mid-Latitude-Summer”) [170] (Н20 и ССЬ) с добавлением 02 (2.07-105 ррш)1, и С02 (300 ppm) (см. приложение В), в спектральном диапазоне 100-50000см‘'. Последующий расчет радиации был выполнен на основе DISORT в 8-потоковом (“8-streams”) приближении (число азимутальных углов ‘т‘ в формуле (1.31), на которые разбивается расчет полного потока), для зенитного угла солнца 30°, с учетом молекулярного (релеевского) рассеяния. Альбедо подстилающей поверхности задавалось равным 0.8 и 0.2 для случая 1CRCCM-32 и 54 соответственно. Хотя для расчета потоков солнечной радиации автор в основном использовал околоземный солнечный спектр Kurucz и др. [171, 172] с солнечной постоянной 1368.8 Вт/м2
Из анализа рис. 1.20, 1.21 видно, что даже в «худших» случаях (сильное рассеяние в случае ICRCCM-54, обусловленное добавлением аэрозольных слоев согласно модели аэрозоля Maritime-II [174]; расчет «вниз-вверх») разница в расчетных потоках между блоком «LBLmoa+DISORT» и эталонными расчетами [167] не превышает 1%.
1 Часто используемая в атмосферных приложениях единица парциального давления i-ro газа ‘ppm’ (или ‘ppmv’, означает “parts per million” и определяется как Р, [ppm] = 106 р, / pi, где р, и pj: - соответственно, концентрация молекул данного (i-ro) газа и полная концентрация молекул в среде при заданных условиях.