Моделирование поверхности потенциальной энергии молекулы воды и ее использование для анализа экспериментальных спектров

• Автор: Ширин, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 153 с. : ил.

1 Ab initio расчет поверхности потенциальной энергии молекулы воды
1.1 Расчет и моделирование поверхности потенциальной энергии молекулы воды
1.2 Равновесная конфигурация молекулы воды
2 Оптимизация поверхности потенциальной энергии молекулы воды
2.1 Оптимизация поверхности потенциальной энергии молекулы Н20
2.2 Оптимизация поверхности потенциальной энергии молекулы D20
2.3 Оптимизация поверхности потенциальной энергии совместно
Н2160, Н2170 и Н2180 изотопомеров молекулы воды
3 Анализ экспериментальных спектров молекулы воды
3.1 Методика автоматизированной идентификации экспериментальных колебательно-вращательных спектров на основе вариационных расчетов
3.1.1 Приписывание квантовых чисел рассчитанным уровням энергии
3.1.2 Прямая идентификация
3.1.3 Идентификация с помощью комбинационных разностей
3.1.4 Идентификация сравнением с теоретическим списком линий
3.2 Анализ экспериментальных спектров молекулы Н20
3.2.1 Анализ спектра поглощения солнечного пятна в Ки L- окнах прозрачности атмосферы
3.2.2 Анализ спектра излучения солнечного пятна в Нокне прозрачности атмосферы
3.2.3 Спектр молекулы воды в ближнем ультрафиолетовом
диапазоне
3.3 Анализ экспериментальных спектров молекулы НЕЮ
3.4 Анализ экспериментальных спектров молекулы Э20
3.5 Монодромия в молекуле воды
Заключение
Библиография

Пары воды являются одним из основных компонентов атмосферы, ответственных за поглощение солнечного излучения в атмосфере и радиационный баланс Земли. Количество приходящего солнечного излучения должно быть в балансе с тепловым излучением планеты [1]. Несмотря на более чем столетнее исследование радиационного баланса Земли, он до сих пор не поддается точному математическому описанию [2]. Даже для ясного неба при малом влиянии облаков существующие модели описывают поглощение весьма неточно. Большинство исследователей сходятся на том, что современные атмосферные модели занижают поглощение в видимом диапазоне примерно на 25%. Для объяснения избыточного поглощения в так называемых окнах прозрачности атмосферы привлекаются и такие механизмы, как поглощение в линиях слабосвязанных молекулярных комплексов [3,4]. Между тем, первое, что следует сделать для лучшего описания - это учесть поглощение в большом числе слабых линий молекулы воды. Отсутствие правильной модели радиационного баланса серьезно тормозит развитие науки об атмосфере. В частности, предсказание таких эффектов как глобальное потепление включает в себя изменение поглощения излучения атмосферой менее чем на 1%.
Вода - это уникальный объект природы, она составляет большую часть живых организмов и определяет многие жизненные процессы в экосфере Земли. Климат, перенос загрязнений, экология, ослабление жесткого ультрафиолетового излучения Солнца - все эти процессы связаны с содержанием паров воды в атмосфере. В то же время малейшая концентрация водяного пара может быть отрицательным фактором, влияющим на химические реакции в сверхчистых технологиях, при

2.2 Оптимизация поверхности потенциальной энергии молекулы D20
Вариационные вычисления, приведенные в данном разделе, выполнялись с использованием набора программ DVR3D [9] в координатах Радо. При вычислениях использовалась DVR сетка с 29 точками по радиусу и 40 по углу, которая основана на функциях осциллятора Морзе [107] и полиномах Лежандра соответственно. Итоговый размер матрицы гамильтониана составил 1500 для колебательной задачи и 300*(J+l-p) для вращательных вычислений, где р - вращательная четность и может принимать значения 0 или 1. Массы были взяты равными mD = 2.013553 а.е. и т0 = 15.990526 а.е.
Оптимизация поверхности потенциальной энергии проводилась к экспериментально определенным уровням энергии молекулы D20 [108-117]. Стартовой точкой при оптимизации послужил недавно рассчитанный высокоточный ab initio потенциал [25], рассмотренный в главе 1. Уровни энергии, рассчитанные с использованием этого ab initio потенциала, воспроизводят все известные уровни молекулы D20 со стандартным отклонением 0.71 см"1. Начальная оптимизация проводилась к уровням энергии с J = 0, 2, 5 и энергией ниже 8000 см"1. Общее количество экспериментальных уровней, участвующих в оптимизации, составило 314. При оптимизации поверхности потенциальной энергии использовалось 23 константы. Стандартное отклонение рассчитанных уровней от экспериментальных составило 0.019 см"1. Этот потенциал был использован для расчета списка линий всех переходов молекулы D20 до J=30. При расчете списка линий в целях экономии компьютерного времени количество точек по радиусу было уменьшено до 21, но это не привело к значительному изменению точности расчета спектра в рассматриваемом здесь диапазоне.
Этот список линий использовался для идентификации переходов