Столкновительные параметры контура колебательно-вращательных линий водяного пара и озона

• Автор: Мишина, Татьяна Петровна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 95 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Ударная теорій уширения и сдвига центра линии давлением атмосферных газов
1.1. Метод Андерсона-Тсао-Карната и полуэмпирический метод
1.2. Методы Робера-Бонами и Ма-Типпинга-Буле
1.3. Межмолекулярный потенциал
2. Суммирование рядов в теории ударного уширения спектральных линий методом Эйлера
2.1. Обобщенное преобразование Эйлера
2.2. Применение обобщенного преобразования Эйлера рядов для вычисления резонансных функций
3. Расчеты параметров контура колебательно — вращательных линий
при взаимодействии с N2, 02
3.1. Вычисление коэффициентов уширения
3.2. Вычисление коэффициентов сдвига
4. Расчеты параметров контура колебательно - вращательных линий водяного пара по полуэмпирической методике
4.1. Детали вычислений и результаты
4.2. Столкновения Н20-М2, 02
4.3. Столкновения Н20- Н20
5. Влияние интерференции линий водяного пара на атмосферное пропускание в атмосфере
5.1. Основные соотношения для контура линии при учете интерференции
5.2. Влияние интерференции линий водяного пара на атмосферное пропускание в атмосфере (горизонтальная, вертикальная и наклонная трассы)
6. Заключение
7. Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Информация о колебательно-вращательных спектрах применяется в различных областях науки: в физике атмосферы Земли, лазерной физике, задачах газоанализа и т.д. Такие параметры, как полуширина и сдвиг центра линии, индуцированные давлением атмосферных газов, позволяют изучать динамику столкновений и определять потенциал межмолекулярного взаимодействия.
Точное знание коэффициентов сдвига и уширения линий водяного пара и озона, индуцированных давлением воздуха, необходимы для моделирования радиационного баланса атмосферы Земли и анализа атмосферных спектров. Например, в задачах лазерного зондирования профиля влажности методом дифференциального поглощения необходимо учитывать сдвиги линий водяного пара давлением азота и кислорода, неучет сдвига может дать ошибку порядка 30%.
В настоящее время не существует общепринятого метода для расчетов коэффициентов уширения и сдвига колебательно-вращательных линий молекул типа асимметричного волчка, позволяющего провести вычисления для различных колебательно-вращательных состояний и в различных спектральных областях. Наиболее используемым в последнее время методом является комплексный формализм Робера-Бонами. Расчеты с использованием данного формализма были проведены Гамашем [1], и вычисленные данные оказались в достаточно хорошем согласии с экспериментальными значениями.
Вычисления по полуклассической теории Робера-Бонами требуют больших временных затрат, так как учитываются более тонкие эффекты взаимодействия, чем в методе Андерсона [2] и полуэмпирических модификациях. Ма, Типпинг и Буле [3] внесли изменения в теорию Робера-Бонами, связанные с применением усреднения по состояниям ]2 возмущающей молекулы. Однако проведенный ими расчет по предложенному методу хуже описал эксперимент, чем расчет по использованной ранее теории Робера-Бонами. Из вышесказанного следует, что по-прежнему актуальным остается совершенствование методов вычислений параметров контура спектральных линий.

При расчетах в теории ударного уширения спектральных линий используется теория возмущений и представление полуширин, сдвигов линий и параметров кросс-релаксации, функции эффективности столкновений в виде рядов по степеням оператора взаимодействия молекул. Но на близких расстояниях взаимодействие сильное, и ряд, представляющий функцию эффективности столкновений, расходится [4]. Это обстоятельство представляет определенный недостаток теории ударного уширения, который можно преодолеть, применив метод Эйлера. Проблема расходимости рядов решается использованием «прямого» метода суммирования расходящегося ряда теории возмущений для функции эффективности, представляемой в виде разложения теории возмущений. Такой прием позволяет получить сходящееся выражение для 5(й), аналогичное выражению в теории Андерсона.
Интерференция спектральных линий в колебательно-вращательных спектрах молекулярных газов, вызванная столкновениями, влияет на спектры поглощения, излучения или комбинационного рассеяния плотных газов, поглощение в окнах и микроокнах прозрачности, крылья линии. Интерференция линий приводит к искажению лоренцевской формы контура, нелинейной зависимости сдвига от давления и увеличению поглощения в микроокнах прозрачности. Поэтому необходимо оценить влияние интерференции линий на поглощение излучения на вертикальных и наклонных трассах.
Цель: исследование уширения и сдвига линий и параметров кросс-релаксации для случая линейных молекул и молекул типа асимметричного волчка, совершенствование методов расчета параметров контура линий и их реализация в виде алгоритмов и программ.
Основные задачи:
1. Получение резонансных функций с использованием обобщенного преобразования Эйлера.
2. Исследование интерференции линий в ИК спектрах водяного пара и оценка ее влияния на атмосферное пропускание для наклонных и вертикальной трасс.
3. Разработка методики расчета коэффициента сдвига спектральных линий озона с учетом криволинейности траектории и колебательной зависимости
Таблица 2.1. Параметры молекул необходимые для расчета.
Масса (а.е.м.) Потенциал ионизации (Эрг) Поляризуемость (см'3) Дипольный или квадрупольный моменты
ОТ 20,01 2,57 * Ю'11 0,86 * 10'24 1,91 Д
со 28,01 2,25 * Ю'п 1,95 * 10'24 0,11 Д
N2 28,01 2,485 * 10'” 1,76 * 10‘24 1,4 ДА

0.8 -г- 0.

чс; 0.4
и 5 10 15 20 25
Ь, А (б)
Рисунок 2.3. Резонансные функции в случае диполь-квадрупольного взаимодействия Н1ЧЫ2, зависящие от прицельного параметра Ь, для частот перехода со=1см'1 (а) и со=10см'1 (б). Обозначения: см. рисунок 2.1.
Следует отметить, что «новые» резонансные функции при малых частотах безизлучательных переходов соответствуют неадиабатическому случаю и вклад второго порядка Б2 в функцию эффективности является наибольшим. При частотах переходов более ю=10см'! резонансная функция стремится к нулю -