Расчет коэффициентов поглощения H2O и CO2 в окнах прозрачности атмосферы

• Автор: Климешина, Татьяна Еремеевна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 114 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Экспериментальные и теоретические исследования континуального поглощения
1.1. Хронология измерений континуума водяного пара и углекислого газа
1.2. Модели континуума
1.3. Методика расчета согласно асимптотической теории крыльев линий Глава 2. Континуальное поглощение Н20 при самоуширении
2.1. Экспериментальные данные по поглощению водяным паром
в области 3-5 мкм
2.2. Континуальное поглощение НгО при самоуширении.
Измерения [Burch, Alt,1984], [Burch,1982]
2.3. Континуальное поглощение НгО при самоуширении.
Измерения CAVIAR и N1ST
2.4. О мономерном и димерном поглощении
Глава 3. Континуальное поглощение Н2О при уширении посторонним газом
3.1. Описание измерений континуума Н2О при уширении азотом [Baranov, Lafferty, 2012] в интервале 8-12 мкм
3.2. Описание измерений континуума Н20 при уширении азотом [Baranov, Lafferty, 2012], [Ptashnik et al., 2012] в области 3-5 мкм
3.3. Расчет радиационных потоков с учетом контура крыла в ИК области спектра Глава 4. Поглощение СО2 в крыльях полос
4.1. Экспериментальные данные по поглощению СОг при самоуширении
4.2. Описание измерений (ИОА) континуума СО2 при самоуширении в области 8200-8300 см'
4.3. Отклонения от контура Лоренца для разных полос СОг и НгО Заключение
Список используемой литературы
Введение
Атмосфера Земли представляет собой сложную систему, содержащую облака, аэрозоль, а также большое число газовых составляющих, поглощающих и рассеивающих проходящее через нее электромагнитное излучение. Спектр проходящего излучения является сложной функцией газового состава, частоты, давления и температуры и, следовательно, меняется с высотой. Наиболее важными с точки зрения устройств, работающих через атмосферу, являются участки спектра, в которых поглощение атмосферой минимально. Их называют окнами прозрачности атмосферы. В ИК - области спектра наиболее известно окно прозрачности 8-12 мкм, которое также совпадает с областью спектра, в которой в большой степени формируется уходящее излучение Земли как планеты. Тем самьм эта область спектра важна для решения климатических задач. Основными газами, формирующими поглощение в этом и в ряде других окон прозрачности являются водяной пар (Н2О) и углекислый газ (СОг). Поэтому изучение коэффициента поглощения этих газов имеет важное практическое значение в приложениях атмосферной оптики. С научной точки зрения интересна взаимосвязь поглощения в окнах прозрачности и межмолекулярного взаимодействия.
Отличительная черта рассматриваемого поглощения заключается в его неселективной зависимости от частоты. Поэтому его еще называют континуальным. Обнаруженный в 1918 г. Хитгнером [1] в виде слабоселективной составляющей поглощения водяного пара в окне прозрачности атмосферы 8-12 мкм, феномен континуального поглощения оставался необъяененным в течение двадцати лет. С тех пор его измерениям и расчетам были посвящены сотни работ. Было выполнено очень большое число натурных измерений, как правило, на ограниченном числе частот (чаще всего это были частоты СОг лазера) и при большом разнообразии внешних условий (температура, давление, содержание водяного пара). Это приводило к довольно большому расхождению результатов, причем часто бывало трудно установить источник расхождений. Серия экспериментальных работ в лабораторных условиях была выполнена Берчем в лаборатории АБОЬ [2], [3], [4]. До недавнего времени они считались классическими по как охвату спектрального диапазона, так и по интервалу температур. Хорошо изучены основные эмпирические закономерности континуального поглощения водяного пара.
Сравнительная гладкость кривой континуального поглощения, отсутствие характерных спектральных черт явились причинами большого числа гипотез относительно теоретического описания и физической природы этого феномена.

Основными гипотезами, объясняющими наличие континуального поглощения водяного пара, в настоящее время являются следующие: поглощение далекими крыльями сильных линий молекулы воды (мономера), поглощение димерами водяного пара и столкновитсльно-индуцированнос поглощение мономера. Дискуссия относительно происхождения континуального поглощения активно велась в течение десятилетий, однако вопрос о природе континуального поглощения до сих пор не имеет однозначного ответа для всего спектрального диапазона.
Прежде всего, выбор между различными гипотезами до сих пор не был осуществлен из-за отсутствия достаточно точных лабораторных измерений поглощения водяным паром в различных спектральных интервалах и при разных термодинамических условиях. Хотя в делом измерений было очень много (см., например, обзор Гранта [5]), их точность была недостаточна для сравнения с продвинутыми теоретическими расчетами.
Лишь в последние годы такие данные начали появляться. Это, прежде всего, работы [6], [7] и работы проекта CAVIAR, см. [8] - [13]. В этих работах приведены не только графики, но и численные значения измеренных величин коэффициента поглощения вместе с погрешностями, это особенно важно для теоретических работ по поглощению водяным паром, так как теперь речь идет не столько о качественном, сколько о количественном согласии теории и эксперимента (что уже давно имеет место при изучении поглощения углекислым газом, см., например, [14], [15] - [19]). Оказалось, что эти данные при нормальных температурах в окне 3-5 мкм значительно отличаются от более ранних данных Берча. Причина этих расхождений остается неясной.
Определенности выбора между различными гипотезами препятствует и специфика теоретических построений. В теоретических подходах, описывающих крылья линий мономера, присутствует, как существенный элемент, потенциал межмолекулярного взаимодействия (ММВ). Пока что решение многоэлектронной задачи двух взаимодействующих молекул ab initio не дает возможности получить потенциальные поверхности основного и возбужденных состояний со спектроскопической точностью. Поэтому в расчетах поглощения в крыльях линий для потенциалов используются выражения, с параметрами, полученными при описании других экспериментов, например, по измерению термодинамических свойств газов. Чтобы получить согласие с экспериментом по поглощению в крыльях, параметры потенциала приходится менять. Такая процедура в принципе оправдана тем, что разные свойства могут быть чувствительны к разным участкам потенциальных кривых. Тем не менее, в этом пункте в решении появляется произвол. В то же время при такой подгонке явно или неявно предполагается, что весь коэффициент поглощения обусловлен либо только поглощением

dtelcot X(wo'|C|«i^,)(«2öf,|C 1 n'a)~[-2 П2 — c°nn

И]И2«

Если теперь подставить решение задачи (6) в выражение для коэффициента поглощения (31) (^(0 - соответствующие собственные значения), то появится интеграл вида:

который при больших смещенных частотах оценивается асимптотически. Корень /' уравнения для стационарной точки, соответствующего интегралу (32)
К’а'(0~1*'„'а'(0 = Ясо, или ®И1«2а'=(1/ гй)(^«,а -^»2«) (33)
Уравнение (33) для стационарной точки принимает вид
е>—ЮИ)/72 =®Л]И2С('(^)’ (34)
и его корень обозначен через 1П]Г,2а'. Корни 1П1„2а' уравнения (34) вещественны , поэтому
для асимптотической оценки интеграла (32) применим метод стационарной фазы.
Далее траектория центра масс в окрестности стационарной точки принимается прямолинейной, в выражении для закона сохранения (34) используется аппроксимация
Япп'а =Сп„'а1га (35)
с постоянными Ст'а и а, которые берутся одинаковыми для всех линий (Са) и
вводится еще одна постоянная £)д для сложной комбинации матричных элементов
дипольного момента щ операторов Меллера.

(2) Djy"v'
b т+т

jv/ va

jyt v
+E|c n

JVj va|
DJrify’

(jvaH2&+jV[a)