Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 593189)
Консорциум Контекстум Информационная технология сбора цифрового контента
Уважаемые СТУДЕНТЫ и СОТРУДНИКИ ВУЗов, использующие нашу ЭБС. Рекомендуем использовать новую версию сайта.
Оптика атмосферы и океана

Оптика атмосферы и океана №1 2006

0   0
Страниц75
ID202514
АннотацияЖурнал посвящен проблемам атмосферной оптики, включая спектроскопию, турбулентность, нелинейные явления в атмосфере и океане. Кроме того, к основным направлениям журнала относятся дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности с космических, наземных, судовых и самолетных станций; исследования, связанные с климатом и экологией, а также созданием, испытанием и применением приборов и методов для таких исследований, включая обработку получаемой информации (обратные задачи, передача изображений, адаптивная оптика, лазеры, лидары.
Оптика атмосферы и океана : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2006 .— №1 .— 75 с. — URL: https://rucont.ru/efd/202514 (дата обращения: 14.08.2022)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Для расчетов использовался метод АндерсонаТсаоКарната, дополненный учетом внутримолекулярных взаимодействий, поляризационной части межмолекулярного потенциала и распределением Максвелла для относительной скорости. <...> Впервые поставлена обратная задача по определению колебательно-зависимых параметров изотропной части поляризационных взаимодействий из измерений коэффициентов сдвига центров линий. <...> В [2] установлено также, что игнорирование сдвигов линий при зондировании концентрации водяного пара методом дифференциального поглощения может привести к ошибке 30% на высоте 20 км. <...> По этой причине детальное исследование коэффициентов сдвига также представляет интерес; расчеты коэффициентов сдвига, сравнение с измеренными значениями позволяют уточнить межмолекулярный потенциал, методику расчета и приближения, используемые для вычислений полуширин линий и их температурной зависимости. <...> В [5] было показано, что в расчетах коэффициентов сдвига линий Н2О необходимо учитывать внутримолекулярные взаимодействия, поскольку они достаточно сильно влияют на получаемые результаты. <...> Для расширения области приложений эти банки необходимо дополнить достоверными значениями коэффициентов уширения и сдвига линий. <...> В данной статье представлен анализ коэффициентов сдвига линий поглощения Н2О полос 31 + 3, 21 + 22 + 3 давлением азота, кислорода, воздуха и собственным давлением. <...> [8] дополненный учетом эффектов внутримолекулярной динамики, поляризационной части межмолекулярного потенциала и распределением Максвелла для относительной скорости сталкивающихся молекул. <...> Теоретический анализ В данной статье для расчетов коэффициентов сдвига центров линий применяется один из вариантов полуклассической ударной теории уширения метод АТК, использующий приближение классических Сдвиг центров линий поглощения Н2О в диапазоне 1355013950 см1 31 прямолинейных траекторий. <...> В [912] метод АТК был дополнен учетом поляризационной <...>
Оптика_атмосферы_и_океана_№1_2006.pdf
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 19, ¹ 1 (2006) УДК 539.194 À.Ä. Áûêîâ, Â.Í. Стройнова Сдвиг центров линий поглощения Н2О в диапазоне 13550–13950 ñì–1 Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск Томский политехнический университет Поступила в редакцию 28.07.2005 ã. Представлены результаты расчетов коэффициентов сдвига центров 186 линий Н2О давлением воздуха, азота, кислорода и собственным давлением. Для расчетов использовался метод Андерсона–Тсао–Карната, дополненный учетом внутримолекулярных взаимодействий, поляризационной части межмолекулярного потенциала и распределением Максвелла для относительной скорости. Статистический анализ результатов расчета показывает хорошее согласие с экспериментальными данными. Получены формулы, позволяющие оценить величину сдвига центра линии по известной полуширине. Проведен сравнительный анализ методов расчета АТК и CRBF и показано, что результаты расчетов отличаются не более чем на 10%. Впервые поставлена обратная задача по определению колебательно-зависимых параметров изотропной части поляризационных взаимодействий из измерений коэффициентов сдвига центров линий. Введение Измерения и расчеты коэффициентов сдвига линий водяного пара в ближней ИК- и видимой областях представляют существенный интерес для атмосферной спектроскопии. Пренебрежение сдвигом линии может приводить к значительной ошибке при расчетах пропускания узкополосного лазерного излучения в атмосфере [1]. В [2] установлено также, что игнорирование сдвигов линий при зондировании концентрации водяного пара методом дифференциального поглощения может привести к ошибке 30% на высоте 20 êì. Как известно, поглощение водяным паром солнечного излучения в ближнем ИК-диапазоне влияет на общий радиационный баланс атмосферы. В [3, 4] были проведены оценки вклада слабых линий поглощения Н2О и показано, что вклад слабых линий, обусловленных переходами на состояния с большими значениями вращательного квантового числа J, «горячими» переходами на высоковозбужденные колебательные состояния может достигать нескольких процентов и должен учитываться при расчетах радиационных потоков в атмосфере. По этой причине детальное исследование коэффициентов сдвига также представляет интерес; расчеты коэффициентов сдвига, сравнение с измеренными значениями позволяют уточнить межмолекулярный потенциал, методику расчета и приближения, используемые для вычислений полуширин линий и их температурной зависимости. В [5] было показано, что в расчетах коэффициентов сдвига линий Н2О необходимо учитывать внутримолекулярные взаимодействия, поскольку они достаточно сильно влияют на получаемые результаты. В [6] приведены расчеты температурной зависимости коэффициента сдвига для линии с центром 14397 см–1 и показано, что неучет этой зависимости может привести к ошибке свыше 22% на высоте 10 км при расчетах функции поглощения. Создаваемые в настоящее время новые спектроскопические банки данных (Партридж и Швенке [7], 0–25000 ñì–1, J ≤ 50) должны содержать рассчитанные центры и интенсивности более 300 000 000 ëèíèé. Очевидно, что такой набор данных позволяет проводить подробный анализ спектров Н2О практически в любой спектральной области, представляющей интерес для атмосферной оптики. Для расширения области приложений эти банки необходимо дополнить достоверными значениями коэффициентов уширения и сдвига линий. В данной статье представлен анализ коэффилиний поглощения Н2О полос циентов сдвига 3ν1 + ν3, 2ν1 + 2ν2 + ν3 давлением àçîòà, кислорода, воздуха и собственным давлением. Для расчетов использован модифицированный метод Андерсона– Тсао–Карната (АТК), в отличие от традиционного [8] дополненный учетом эффектов внутримолекулярной динамики, поляризационной части межмолекулярного потенциала и распределением Максвелла для относительной скорости сталкивающихся молекул. Кроме того, проведены сравнительный анализ методов АТК и CRBF (complex Robert– Bonamy formalism), анализ используемой модели определения поляризуемости молекулы Н2О. 1. Теоретический анализ В данной статье для расчетов коэффициентов сдвига центров линий применяется один из вариантов полуклассической ударной теории уширения – метод АТК, использующий приближение классических Сдвиг центров линий поглощения Í2Î в диапазоне 13550–13950 ñì–1 31
Стр.1
прямолинейных траекторий. В [9–12] метод АТК был дополнен учетом поляризационной части межмолекулярного потенциала, эффектов внутримолекулярной динамики при колебательном возбуждении поглощающей молекулы и распределением молекул по скоростям. В [9–12] представлены методика расчета, результаты расчета коэффициентов сдвига центров линий поглощения Н2О давлением Î2, N2, CO2, Í2, SO2, âîçäóõà, благородных ãàçîâ, водяного пара и сравнение с имеющимися экспериментальными данными. В рамках модифицированного метода АТК сдвиг центра линии определяется формулой δ= ρ j F v vdv 21S b v S b v bdb j n if c∑ ∫∫() ( ) 0 bc Здесь i, f – набор колебательных и вращательных квантовых чисел начального и конечного состояний перехода; n – концентрация возмущающих частиц; с – скорость ñâåòà; ρ(j) – заселенность j-ãî уровня возмущающей молекулы; F(v) – распределение Максвелла для относительной скорости сталкивающихся частиц; bc – параметр прерывания; {ImS2(b, v)+ S1(b, v)} – мнимая часть функции эффективности для столкновения с прицельным параметром b и относительной скоростью v. Функция эффективности второго порядка ImS2(b, v) определяется анизотропной частью межмолекулярного потенциала и включает частоты и вероятности вращательных переходов, связанных с дипольными и квадрупольными правилами отбора. Для рассматриваемого здесь случая диполь-квадрупольного взаимодействия молекул Í2Î и N2, O2 2 Im ( , ) 45 ( ) Sb v=× 41 hvb ×− f12 k ′ff jj′ ⎩⎭ ∑∑ ∑ где ( |1),Dii′ Djj D ii( |1)Im ( ) ji j ( |2) ii jj ′′ (|1) ′′ ⎪⎪ ′′ ′ ⎨⎬ ⎪⎪ 32 ⎧⎫ f12 k D ff( |1)Im ( ) , (2) Dff ′ и ( |2)Djj′ – силы дипольных и квадрупольных переходов в поглощающей и возмущающей молекуле; Dii( |1) v |′′ ′ =µ L ii F ii ii|v () ();ii 2 vv ii (3) v| |vµ – матричные элементы дипольного момента Í2Î; v ()i õîäîâ; Fii′ – так называемые F-ôàêòîðû, ó÷èLii′ – силы линий вращательных переv ()i тывающие колебательно-вращательное взаимодействие. Комплексная резонансная функция для диполь-квадрупольного взаимодействия f12(kii′jj′) = =Ref12(kii′jj′) + iImf12(kii′jj′) зависит от резонансного параметра kii ,jj ′′ определяемого параметрами столкновения b, v и частотами виртуальных переходов: cb kEEi′ + E − ii jj=ω + ω ′jj ii ′′ vv E ′ 22 () ( ππcb = i − j j′). Резонансные параметры kff'jj' получаются заменой в (4) индексов i на f. 32 (4) –40 –20 0 1 2 3 4 5 3 V2 + ∞∞ {Im ( , ) ( , )} . (1) В [13] показано, что изменение вращательных и центробежных постоянных в высоковозбужденных изгибных колебательных состояниях может достигать нескольких десятков и сотен раз по сравнению с основным колебательным состоянием. Например, вращательная постоянная А увеличивается в состоянии (020) в 1,5 ðàçà, в состоянии (050) в 3 раза по сравнению с ее значением в состоянии (000). Центробежная постоянная ∆k увеличивается в состоянии (020) в 3,5 ðàçà, в состоянии (050) в 180 раз. Колебательное возбуждение, изменение вращательных и центробежных постоянных ведут к существенной перестройке вращательного энергетического спектра и изменению волновых функций поглощающей молекулы. Вследствие этого можно ожидать значительных изменений сдвига центра линии, а также изменения его знака. Расчеты, учитывающие ∆k-эффект и центробежное искажение, показали, что величина сдвига центров линий Н2О изменяется на десятки процентов для линий полос nν2 (n = 1, …, 5); для некоторых линий возможно изменение знака сдвига. На рис. 1 приведена зависимость коэффициентов сдвига Н2О–N2 трех линий от колебательного квантового числа v2. Можно видеть, что колебательное возбуждение может изменять как величину, сдвига, что объясняется 20 40 60 так и знак коэффициентов конкуренцией вкладов в сдвиг центра от вращательных переходов с различными частотами (4). δ ⋅ 103, ñì–1 ⋅ àòì–1 1 2 Рис. 1. Влияние внутримолекулярных взаимодействий на сдвиги центров линий H2O–N2 полос nν2 (n = 0, 1,…, 5): 1 – 111–202; 2 – 551–642; 3 – 836–909 Функция эффективности первого порядка S1(b,v) определяется изотропной частью межмолекулярного потенциала, в простейшем приближении она включает вклады поляризационных (индукционного и дисперсионного) взаимодействий: ×α µ − µ + µ +{} 3 22 2 ⎧ ⎨ii 22 2 12 ff 2( )ε+ ε [ 1 2 α α − α }⎬. εε ]{ ⎫ Быков À.Ä., Стройнова Â.Í. ⎩⎭  Sb v(, )=× 8 3 1 vb π 5 (5)
Стр.2
Здесь µi, µf – средний дипольный момент поглощающей молекулы в начальном и конечном колебательном состояниях перехода; αi, αf – средние поляризуемости поглощающей ìîëåêóëû; µ2, α2 – средние дипольный момент и поляризуемость возмущающей ìîëåêóëû; ε1, ε2 – потенциалы ионизации поглощающей и возмущающей молекул. Анализ соотношения (5) показывает, что изменение дипольного момента и поляризуемости в верхнем состоянии в результате колебательного возбуждения может оказывать существенное влияние на величину и знак сдвига центра ëèíèè. В [9, 12] установлено, что увеличение поляризуемости молекулы Н2О в высоковозбужденных состояниях (301), (221) на 10% приводит к òîìó, что S1(b, v) увеличивается в 10–15 ðàç, а вклад в сдвиг центров линий Н2О–N2 этого слагаемого может превышать 75% для линий полос 3ν1 + ν3, 2ν1 + 2ν2 + ν3. При этом знак сдвига давлением неполярных молекул становится отрицательным. Необходимо отметить, что игнорирование эффектов колебательного возбуждения (пренебрежение возрастающим вкладом от S1(b, v) (5) при увеличении поляризуемости Н2О в высоколежащих колебательных состояниях) может приводить к значительной ошибке в величине и знаке сдвига. В [14] расчеты сдвига центров некоторых линий Н2О–N2 полосы 3ν1+ν3 проводились методами QFT (Quantum Fourier Transform) и ÀÒÊ. Следует îòìåòèòü, что ни один метод расчета не дает правильных результатов, если не учтен вклад в сдвиг от изотропной части поляризационных взаимодействий (5). 2. Результаты и обсуждение В данной статье представлен расчет коэффициентов сдвига 186 линий поглощения Н2О полос 3ν1 + ν3, 2ν1 + 2ν2 + ν3 давлением àçîòà, кислорода –0,035 –0,03 –0,025 –0,02 –0,015 –0,01 –0,005 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Сдвиг центров линий поглощения Í2Î в диапазоне 13550–13950 ñì–1 5. Оптика атмосферы и îêåàíà, ¹ 1. 14 15 N Рис. 2. Коэффициенты сдвига центров линий Н2О полосы 3ν1 + ν3 давлением воздуха в зависимости от квантового числа N = J + Ka – Kc + 1 33 эксперимент расчет δ, ñì–1 ⋅ àòì–1 и водяного пара. Для расчета использовался модифицированный метод АТК (1)–(5). Сдвиг центров линии Н2О давлением воздуха δair определялся по формуле δair = 0,79δN2 + 0,21δO2 . (6) Спектроскопические постоянные молекулы Н2О получены в [15] из решения обратной задачи при диагонализации эффективного вращательного гамильтониана Уотсона с использованием измеренных в [16] уровней энергии. При вычислении диагональных матричных элементов оператора дипольного момента учитывались случайные резонансы Ферми и Дарлинга–Деннисона, для этого использовались коэффициенты перемешивания колебательных волновых функций молекулы Н2О [15]. Средний дипольный момент молекулы Н2О для колебательных состояний (301), (221) рассчитан с использованием производных дипольного момента из [17]. Средние поляризуемости Н2О в колебательных состояниях (301), (221) определены из подгонки методом наименьших квадратов рассчитанных значений сдвига линий Н2О–воздух к измеренным [9]. Подгонка производилась по трем линиям данной полосы, сдвиги центров остальных линий полосы, а также сдвиги давлением других буферных газов (N2, О2, собственным давлением) рассчитывались с полученным значением поляризуемости. Средняя поляризуемость молекулы Н2О в колебательном состоянии (301) равна 15,90, в состоянии (221) – 15,94 (â åä. 10–25 ñì3). Результаты расчетов коэффициентов сдвига центров линий Í2Ζâîçäóõ полос 3ν1 + ν3, 2ν1 + 2ν2 + ν3 представлены на рис. 2 и 3 вместе с экспериментальными значениями [18]. Средняя точность измерений составляет 0,003 ñì–1 ⋅ àòì–1. Среднеквадратическое отклонение расчетных значений от измеренных равно 1,5 ⋅ 10–3 ñì–1 ⋅ àòì–1, стандартное отклонение не превышает 15% для 65% измерений.
Стр.3

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически