Лабораторное исследование континуального поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне длин волн

• Автор: Серов, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Глава 1: Резонаторный спектрометр как инструмент для прецизионного измерения спектра поглощения газов в ММ и СубММ диапазонах
§1.1 Резонаторный спектрометр на базе ЛОВ: устройство и принцип работы
§ 1.2 Тонкие диэлектрические пленки как элемент связи резонатора
Фабри - Перо с квазиоптическим трактом
§ 1.3 Характеристики отражающих свойств зеркал резонатора при
различных условиях
§ 1.4 Расширение рабочего диапазона частот резонаторного спектрометра в СубММ часть спектра
Глава 2: Экспериментальное исследование континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в диапазоне температур 261 - 328 К
§ 2.1 Анализ современного состояния исследуемой проблемы
§ 2.2 Методика исследования
§ 2.3 Обработка первичных данных и анализ результатов
Глава 3: Физическая природа континуума
§3.1 Современные представления о физической природе континуума
и роли молекулярных комплексов в его формировании
§ 3.2 Оценка количества малых кластеров в водяном паре в равновесном состоянии
на основе анализа эмпирических данных о его термодинамических параметрах
§ 3.3 Экспериментальное исследование спектра поглощения водяного пара при
низком давлении в ММ диапазоне длин волн как способ прямого определения
вклада димеров воды в формирование континуума
Заключение
Приложение
Приложение
Список литературы
Благодарности
Актуальность работы. Вода присутствует на Земле во всех трех агрегатных состояниях и оказывает большое влияние на многие физические, химические и биологические процессы, происходящие на нашей планете. В частности, примерно на 60 % естественный парниковый эффект объясняется поглощением электромагнитного излучения водяным паром, присутствующим в атмосфере [1,2]. Климат планеты в значительной степени определяется именно содержанием водяного пара в атмосфере, климатические модели и прогнозы, создаваемые на их основе, крайне чувствительны по отношению к физическим свойствам водяного пара, в том числе к количественным характеристикам его спектра поглощения. Кроме наличия колебательных полос, содержащих множество резонансных линий, спектр водяного пара характеризуется наличием нерезонансного поглощения, которое плавно (по сравнению с резонансной частью) меняется с изменением частоты от микроволнового диапазона до видимого. Это поглощение, называемое континуальным, играет большую роль в климатическом балансе Земли в силу крайне широкого диапазона частот, в котором оно наблюдается. Кроме водяного пара, вклад в атмосферный континуум вносят и все другие молекулы, но в значительно меньшей степени. Это объясняется тем, что по своей природе континуальное поглощение связано с парным взаимодействием молекул, которое сильнее всего проявляется у молекул воды ввиду наличия межмолекулярных водородных связей.
Наибольший относительный вклад континуума в атмосферное поглощение наблюдается в окнах относительной прозрачности атмосферы, расположенных в промежутках между колебательно-вращательными полосами атмосферных газов. Если говорить о миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн, относящимся к области чисто вращательного спектра атмосферных молекул, то вклад континуального поглощения в микроокнах прозрачности (между линиями НгО и О2) может превышать суммарный вклад резонансных линий почти на порядок.
Правильный учёт континуального поглощения атмосферы важен для построения теоретических моделей распространения излучения в атмосфере, необходимых как для интерпретации данных, получаемых при мониторинге атмосферы с наземных, воздушных и космических станций дистанционного зондирования, так и для расчёта дальности действия радаров и систем связи наземного и космического базирования.
Другим важным обстоятельством является определение физических механизмов, ответственных за континуальное поглощение. Несмотря на длительную историю исследований этого феномена, вопрос о его причинах остаётся открытым. Бесспорным

является тот факт, что континуальное поглощение обусловлено столкновительным взаимодействием молекул. В современной работе, посвященной исследованию этой тематики [3] предложено использовать термин «бимолекулярное поглощение» для обозначения континуума. В рамках такого подхода выделяют три механизма, ответственных за континуум. Континуальное поглощение обусловлено парными состояниями молекул воды - стабильными (связанными) димерами, метастабильными димерами и свободными парами молекул, не образующими димер, за счет возникновения наведенного дипольного момента при взаимодействии этих молекул (столкновительно-индуцированное поглощение). Другой подход к объяснению континуума - коррекция формы дальшгх крыльев резонансных линий [4], необходимость которой обусловлена нарушением приближения упругих столкновений. Вопрос об относительных вкладах перечисленных здесь механизмов на сегодняшний день не решен однозначно. Если в полосах поглощения ближнего ИК диапазона доминирующий вклад в континуальное поглощение стабильных и метастабильных димеров был показан в последние годы достаточно достоверно (см. обзор [3]), вопрос о природе континуума в окнах прозрачности атмосферы остается открытым. Это обусловлено как очень слабой величиной континуального поглощения в окнах прозрачности, так и не всегда достаточным количеством информации для выделения в континуальном спектре нескольких близких по характеру частотной зависимости составляющих при атмосферных условиях. Как было замечено в недавней обзорной работе, посвященной исследованиям континуального поглощения [5], несмотря на существенный прогресс, достигнутый в последние 30 лет, гораздо больше в исследованиях континуума ещё предстоит сделать. Одной из существенных проблем остается нехватка надежных экспериментальных данных, которые пролили бы больше света на физические механизмы, ответственные за континуум. Настоящая работа была направлена на получение таких данных.
Основной цслыо данной работы является получение новых прецизионных экспериментальных данных, характеризующих континуальное поглощение в ММ диапазоне длин волн. В частности, была поставлена задача исследования спектра поглощения водяного пара при низком давлении с целью выявления в нем спектральных особенностей (пиков) димеров воды. Поскольку по оценкам эти особенности должны быть достаточно слабовыраженными, потребовалось использовать спектрометр с высокой чувствительностью и широкой полосой спектрального анализа. Единственным типом спектрометров, удовлетворяющим этим требованиям в ММ диапазоне, является резонаторный спектрометр [6].
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения,

Таблица 1. Результаты лабораторного измерения параметров континуума для водяного пара и его смеси с азотом. Параметры приведены в единицах дБ/км / (ГГц-гПа)2. В скобках указаны среднеквадратичные отклонения измеренных параметров в единицах последнего знака
Источник C° -10'7 >h c^-io“9 nf Условия эксперимента Каталог линий
Наши результаты [12] 0.796(9) 5.24(21) 2.875(35) 0.91(17) 107- 143 ГГц 261 -328 К Я98 [65]
Liebe et al. 1987 [59] 0.700(20) 7.30(30) 3.362(30)* 0.00(40) 138 ГГц 282-316 К МРМ87 [59]
Kuhn et al. 2002 [56] 0.911(16) 5.10(19) 3.002(83) 1.34(28) 153 -350 ГГц 296-356 К 1198 [65]
Podobedov et al. 2008 [61] 0.400 5.50 2.310 1.80 0.3-2.7 ТГц 293 -333 К Н1Т04 [66]
* Параметр был рассчитан с использованием измеренного на частоте 137.8 ГГц
аналогичного параметра для воздуха 5.68(5)-10'3 дБ/км/кПа2, который был умножен на экспериментально определенный при 303 К коэффициент, отражающий отношение уширяющей способности азота и воздуха: 0.627/0.558= 1.124, взятый из данных таблицы 2 [59]. Температурные экспоненты соответствующих зависимостей полагались равными.
Необходимо отметить, что сравнение результатов настоящей работы с данными, приведенными в [61] не имеет большого смысла, во-первых, из-за значительно отличающегося частотного диапазона измерений, а, во-вторых, по причине использования другого набора параметров для учета поглощения в линиях. Первая причина объясняется изменением характера (перегибом) частотной зависимости континуального поглощения при переходе из ММ в СубММ диапазон в связи с достижением максимума огибающей вращательной полосы спектра димеров - одной из составляющих континуума [42,43].
Как было упомянуто ранее, для учета вклада резонансных линий водяного пара использовалась программа МРМ [54, 65]. Это позволило провести прямое сравнение полученных результатов с работами [56, 59] и сделать определенные выводы о влиянии систематических ошибок на результаты измерений. В работе [56] было показано, что выбор набора параметров и модельной формы профиля, по которым вычисляется вклад резонансных линий в суммарное поглощение газовой смеси, значительно влияет на значения параметров континуума, получаемых в результате обработки экспериментальных данных. Вопрос о выборе наиболее адекватного описания вклада резонансных линий в данной работе не рассматривался. Вместо этого предложено эмпирическое описание суммарного поглощения смеси азота с водяным паром, измеренного в эксперименте:
«,оы(/>^г,^.го^)=((е(П±ЩТ))-Р10 +(ЦП±ВД)-/]1го-^;)-/235, (2.9)