Российская академия наук
Сибирское отделение
ОПТИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Том 28, ¹ 4
àïðåëü, 2015
Научный журнал
Основан в январе 1988 года академиком В.Е. Зуевым
Выходит 12 раз в год
Главный редактор
доктор физ.-мат. наук Г.Г. Матвиенко
Заместители главного редактора
доктор ôèç.-ìàò. наук Á.Ä. Áåëàí,
доктор физ.-мат. наук Ю.Н. Пономарев
Ответственный секретарь
доктор физ.-мат. наук В.А. Погодаев
Редакционная коллегия
Багаев С.Н., академик РАН, Институт лазерной физики (ИЛФ) СО РАН, г. Новосибирск, Россия;
Банах Â.À., ä.ô.-ì.í., Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева (ÈÎÀ) СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Белов Â.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Букин О.А., д.ф.-м.н., Дальневосточная морская академия им. адмирала Г.И. Невельского, г. Владивосток, Россия;
Голицын Г.С., академик РАН, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова (ИФА) РАН, г. Москва, Россия;
Еланский Í.Ô., ÷ë.-êîð. ÐÀÍ, ИФА ÐÀÍ, ã. Ìîñêâà, Ðîññèÿ;
Землянов À.À., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Кандидов В.П., д.ф.-м.н., Международный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия;
Кулмала М. (Kulmala M.), проф., руководитель Отдела атмосферных наук кафедры физики, Университет г. Хельсинки,
Финляндия;
Лукин Â.Ï., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Михайлов Г.А., чл.-кор. РАН, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
г. Новосибирск, Россия;
Павлов В.Е., д.ф.-м.н., Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул, Россия;
Панченко Ì.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Ражев À.Ì., ä.ô.-ì.í., ИЛФ СО ÐÀÍ, ã. Новосибирск, Ðîññèÿ;
Тарасенко В.Ф., д.ф.-м.н., Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Россия;
Шабанов В.Ф., академик РАН, Красноярский научный центр СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Шайн К. (Shine K.P.), член Английской академии наук, королевский профессор метеорологических и климатических наук,
Департамент метеорологии, Университет г. Рединга, Великобритания;
Циас Ф. (Ciais P.), проф., научный сотрудник Лаборатории климатических наук и окружающей среды совместного научно-исследовательского
подразделения Комиссариата атомной энергии и Национального центра научных исследований
(НЦНИ) Франции, г. Жиф-сюр-Иветт, Франция
Совет редколлегии
Борисов Ю.А., к.ф.-м.н., Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный Московской обл., Россия;
Заворуев В.В., д.б.н., Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Ивлев Л.С., д.ф.-м.н., Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока при СПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия;
Игнатьев А.Б., д.т.н., ГСКБ Концерна ПВО «Алмаз-Антей» им. академика А.А. Расплетина, г. Москва, Россия;
Кабанов М.В., чл.-кор. РАН, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, Россия;
Михалев А.В., д.ф.-м.н., Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, Россия;
Якубов В.П., д.ф.-м.н., Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия
Зав. редакцией С.Б. Пономарева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
Ðîññèÿ, 634055, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Адрес ðåäàêöèè: 634055, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Òåë. (382-2) 49-24-31, 49-19-28; факс (382-2) 49-20-86
E-mail: psb@iao.ru
http://www.iao.ru
Сибирское отделение ÐÀÍ, 2015
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева СО ÐÀÍ, 2015
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Том 28, ¹ 4 (314), c. 283–374
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Лаврентьева Н.Н., Дудар¸нок А.С., Булдырева Ж.В. Расчет коэффициентов уширения линий метилцианида:
самоуширение и уширение азотом ................................................................. 285
Климешина Ò.Å., Петрова Ò.Ì., Родимова Î.Á., Солодов À.À., Солодов À.Ì. Поглощение ÑÎ2
в крыльях полос
в ближнем ИК-диапазоне ........................................................................ 291
ОПТИКА СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД
Лукин И.П. Кольцевая дислокация степени когерентности вихревого бесселева пучка в турбулентной атмосфере. . . 298
Гладких В.А., Мамышев В.П., Одинцов С.Л. Экспериментальные оценки структурной характеристики показателя
преломления оптических волн в приземном слое атмосферы ............................................ 309
ОПТИКА КЛАСТЕРОВ, АЭРОЗОЛЕЙ И ГИДРОЗОЛЕЙ
Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Панина Е.К. Локализованные световые потоки от
несферических
радиально
симметричных диэлектрических микрочастиц ........................................................ 319
Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света
на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 1. Теоретические основы алгоритма ........................... 324
Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света
на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 2. Сравнение с алгоритмом трассировки лучей .................. 331
ОПТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И БАЗЫ ДАННЫХ ОПТИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Асанов Ñ.Â., Белов Â.Â., Булыгин À.Ä., Гейнц Þ.Ý., Дудоров Â.Â., Землянов À.À., Игнатьев À.Á., Канев Ô.Þ.,
Колосов Â.Â., Коняев Ï.À., Лукин Â.Ï., Матвиенко Ã.Ã., Морозов Â.Â., Носов Â.Â., Пономарев Þ.Í.,
Пташник И.В., Тарасенков М.В. Оптическая модель земной атмосферы для интенсивного лазерного излучения
ближнего и среднего ИК спектральных диапазонов ................................................... 338
Агеев Б.Г., Пономарев Ю.Н., Чесноков Е.Н. Ослабление излучения терагерцового диапазона водным аэрозолем. . 346
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Белоплотов Д.В., Ломаев М.И., Тарасенко В.Ф. О природе излучения голубых и зеленых струй в лабораторных
ðàçðÿäàõ, инициируемых пучком убегающих электронов ............................................... 349
Иглакова А.Н., Ошлаков В.К., Селезнев Л.В., Тихомиров Б.А. Оптико-акустическая калориметрия фемтосекундных
лазерных импульсов ............................................................................ 354
Âîðîáü¸âà Ë.Ï., Климкин À.Â., Куряк À.Í., Макогон Ì.Ì., Осипов Ê.Þ., Пономарев Þ.Í. Дистанционная
диагностика àöåòîíà, этилацетата и изопрена в атмосфере .............................................. 359
Осипов К.Ю., Капитанов В.А., Пономарев Ю.Н., Карапузиков А.И. Разработка и моделирование
оптикоакустического
газоанализатора с тепловым источником для анализа изотопического отношения углерода ........ 366
Информация ....................................................................................
372
àïðåëü, 2015 ã.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 2015
Стр.2
CONTENTS
Vol. 28, No. 4 (314), p. 283–374
Spectroscopy of ambient medium
Lavrentieva N.N., Dudaryonok A.S., Buldyreva J.V. Calculation of methylcyanide line broadening coefficients: selfand
nitrogen-broadening .......................................................................... 285
Klimeshina T.E., Petrova T.M., Rodimova O.B., Solodov A.A., Solodov A.M. ÑÎ2
absorption in band wings ...... 291
Optics of stochastically heterogeneous media
Lukin I.P. Ring dislocation of the degree of coherence of a vortex Bessel beam in turbulent atmosphere ............... 298
Gladkikh V.A., Mamyshev V.P., Odintsov S.L. Experimental estimates of the structure parameter of the refractive
index for optical waves in the surface air layer ........................................................ 309
Optics of clusters, aerosols, and hydrosoles
Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Panina E.K. Localized light jets from radially symmetric non-spherical dielectric
microparticles .................................................................................. 319
Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Beam splitting algorithm for light scattering by atmospheric ice
crystals. Part 1. Theory .......................................................................... 324
Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Beam splitting algorithm for light scattering by atmospheric ice
crystals. Part 2. Comparison with the ray tracing algorithm .............................................. 331
Optical models and databases
Asanov S.V., Belov V.V., Bulygin À.D., Geintz Yu.E., Dudorov V.V., Zemlyanov À.À., Ignat’ev A.B., Êànev F.Yu.,
Kolosov V.V., Kînyaev P.À., Lukin V.P., Ìàtvienko G.G., Morosov V.V., Nosov V.V., Ponomarev Yu.N.,
Ptashnik I.V., Tarasenkov M.V. Optical model of the Earth's atmosphere for intense laser emission in the near and
mid-infrared spectral ranges ....................................................................... 338
Ageev B.G., Ponomarev Yu.N., Chesnokov E.N. Attenuation of THz radiation by water aerosol.................. 346
Optical instrumentation
Beloplotov D.V., Lomaev M.I., Tarasenko V.F. On the nature of radiation of blue and green jets at laboratory
discharges initiated by runaway electrons............................................................. 349
Iglakova A.N., Oshlakov V.K., Seleznev L.V., Tikhomirov B.A. Photoacoustic calorimetry of femtosecond laser pulses 354
Vorob’åva L.P., Klimkin A.V., Kuryak A.N., Makogon M.M., Osipov K.Yu., Ponomaråv Yu.N. Remote diagnostics
of acetone, ethyl acetate, and isoprene in the atmosphere ................................................ 359
Osipov K.Yu., Kapitanov V.A., Ponomarev Yu.N., Karapuzikov A.I. Design and modeling of a photo-acoustic gas
analyzer with a termal source for carbon isotope ratio analysis ............................................ 366
Information .....................................................................................
372
April 2015
V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics,
Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
Optika Atmosfery i Okeana, 2015
Стр.3
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 28, ¹ 4 (2015)
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 539.194,593.196.3
Расчет коэффициентов уширения линий метилцианида:
самоуширение и уширение азотом
Í.Í. Ëàâðåíòüåâà1,2, À.Ñ. Äóäàð¸íîê1,2, Æ.Â. Áóëäûðåâà3*
1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1, Россия
2 Национальный исследовательский Томский государственный университет
634050, ã. Òîìñê, ïð. Ëåíèíà, 36, Россия
3 Institute UTINAM, UMR CNRS 6213, Université de Franche-Comté,
16 route de Gray, 25030 Besançon cedex, France
Поступила в редакцию 22.01.2015 ã.
Представлены результаты расчетов полуширин линий молекул метилцианида в случае самоуширения
и уширения азотом. Вычисления выполнены при комнатной температуре (Т = 296 К) для 1 400 линий, вращательные
квантовые числа варьируются в ïðåäåëàõ: J от 0 до 70 и K от 0 до 10. Для каждой линии рассчитаны
температурные показатели, рассмотрена температурная зависимость для условий атмосфер Земли
и Титана. Вычисления проводились с использованием полуэмпирического метода, являющегося модификацией
ударной теории уширения линий, основанной на привлечении экспериментальных значений параметров
контура линий. Полученные величины находятся в хорошем согласии с измеренными данными.
Ключевые слова: уширение линий, молекулы типа симметричного волчка, метилцианид, контур линии,
межмолекулярные взаимодействия; line-broadening, symmetric top, methylcyanide, line-contour, intermolecular
interactions.
Метилцианид является долгоживущим загрязнителем
атмосферы, он важен для изучения физикохимических
процессов в тропосфере и стратосфере
Земли и Титана. Точные расчеты параметров контура
линий метилцианида необходимы для определения
профиля его концентрации.
Несмотря на важность изучения полуширин
CH3CN как для земных, так и для астрофизических
исследований, имеется небольшое количество работ,
в которых приводятся экспериментальные и расчетные
данные по уширению линий метилцианида. Измерения
коэффициентов самоуширения линий представлены:
для микроволновой области в [1], дальней
ИК-области – в [2–9], средней ИК-области –
в [10], ближней ИК-области – в [11]. В [2, 4–8]
описаны результаты расчетов полуширин линий, полученные
с помощью метода Андерсона–Цао–Карнатта
(АЦК), причем все вычисления дают завышенные
результаты 20%. Превышение расчетных
значений связано с применением процедуры прерывания,
когда ударный параметр b0 определяется из
решения уравнения S2(b0) = 1, где S2(b) – функция
прерывания по методу АЦК. Уширение линий
CH3CN давлением N2 наиболее исследовано в чисто
______________
* Нина Николаевна Лаврентьева (lnn@iao.ru); Анна
Сергеевна Äóäàð¸íîê (osip0802@sibmail.com); Жанна Васильевна
Булдырева (jeanna.buldyreva@univ-fcomte.fr).
Лаврентьева Í.Í., Äóäàð¸íîê À.Ñ., Булдырева Æ.Â., 2015
вращательной полосе поглощения, измеренные значения
полуширин даны в [1, 6, 9, 12]. Работа [6]
содержит расчетные данные (метод АЦК), в статье
[12] приведены результаты вычислений уширения
по методу Робера–Бонами, а также расчеты коэффициента
температурной зависимости (температурный
интервал 235–340 Ê). Измеренные данные [10]
являются самыми многочисленными, представлены
полуширины линий для более чем 700 переходов
(вращательные квантовые числа J 48, K 10, полоса
4, P- и R-âåòâè).
Для расчета полуширин линий молекул симметричного
волчка для случаев CH3CN–CH3CN
и CH3CN–N2 применялся полуэмпирический (ÏÝ)
метод [13], уже зарекомендовавший себя при описании
уширения линий молекул типа симметричного волчка
[14, 15]. Использование процедуры прерывания
в полуэмпирическом методе правомерно для молекул,
характеризующихся сильными взаимодействиями,
когда расстояние наибольшего сближения меньше
параметра прерывания из теории АЦК (rc < b0, rc –
расстояние наибольшего сближения). В таких условиях
прерывание процесса поглощения происходит
до того, как траектория становится нелинейной.
Взаимодействие двух сильных диполей обеспечивает
выполнение этого условия, влияние короткодействующих
сил слабо в этом случае и учитывается
с помощью корректирующего фактора. Для сильных
взаимодействий справедливы следующие допущения:
285
Стр.4
столкновения – бинарные, продолжительность столкновений
меньше, чем время между столкновениями,
поступательное движение частиц описывается приближением
классических траекторий, интерференция
линий не учитывается. Детально полуэмпирический
метод описан в [13], здесь мы приводим краткое
описание.
Согласно общим положениям полуклассической
теории полуширина if и сдвиг центра линии if перехода
i → f могут быть записаны следующим образом:
U(i, f, p, b, v) db, (1)
() ( )
if
i if
n
c p 00
p vF v dv b
где n – плотность возмущающих частиц; (p) – заселенность
уровня p; p – набор квантовых чисел второй
(возмущающей) молекулы; v – относительная
скорость сталкивающихся молекул; F(v) – функция
распределения по скоростям Максвелла; b –
прицельное расстояние.
Функция эффективности U(i, f, p, b, v) имеет вид
Pl – функция эффективности в теории ÀÖÊ;
– поправочный ôàêòîð, который ðàññ÷èòûReU(i,
f, p, b, v)
cos – Im –ImS2,ip
1– 1– L
SS fpS2,
1,fp
1,ip
(2)
exp – ReSS S fp ip
.
()
2,fp
Re 2,ip
C
2, ,
Здесь S1 и S2 – выражения первого и второго порядка
по теории возмущения; индексы (L) и (C)
соответствуют «ñâÿçíûì» и «ïðèñîåäèíåííûì» («linked»
and «connected») диаграммам теории возмущения.
Член первого порядка S1 отвечает за адиабатический
эффект и определяется только изотропной
частью потенциала, а S2 – его анизотропной частью.
Обе функции зависят от «классической» траектории
относительного движения сталкивающихся молекул.
Выражения (1) и (2) зависят от сил дипольных
переходов 2() Dff l различных каналов ðàñDii
l и 2()
сеяния i → i, f → f , связывающих нижние и верхние
уровни перехода с другими близко расположенными
уровнями. Эти параметры являются квадратом
приведенных матричных элементов молекулярных
постоянных, таких как дипольный момент или компоненты
квадрупольного тензора. Параметры контура
линий в теории АЦК выражаются как
i
if
Ai f D ii l P
(, )
Dff l P flf ...,
f
P ( )p AD pp lll ( )
c
()
n
l
plp
,
ll
F cb p i f
v
0
2( , , )()
pp
286
(4)
2
2() (
)
2
( ) ( )ii
l
(3)
членами более высоких порядков здесь пренебрегается;
S
fp ip
()
2, ,
где ()A
Cl ()
вается из подгонки к экспериментальным данным.
В то время как функция ( )A
Pl определяет все основные
вклады в уширение, множитель ()lC дает
небольшую поправку, связанную с учетом некоторых
тонких эффектов.
Ранее для расчетов коэффициентов уширения
линий метилхлорида применялся корректирующий
фактор:
Cl
cJ cJ c
c 1
2 34
1
1 (– ) 1
2 . (7)
Поскольку коэффициенты уширения метилхлорида
и метилцианида имеют подобные зависимости от
вращательных квантовых чисел, в настоящей работе
вычисления проводились с использованием фактора
(7). В этом выражении параметр с1 корректирует
величину коэффициента уширения, с2 и с3 – зависимость
от вращательного квантового числа J, с3
несет ответственность за ширину кривой в районе
максимума, с4 отвечает за перемещение центра максимума.
Отметим, что функция Cl не искажает зависимость
полуширины от вращательного квантового
числа J, а только корректирует ее.
Параметры полуэмпирической модели для обоих
уширяющих газов определялись подгонкой к экспериментальным
коэффициентам уширения линий
[10] с применением метода покоординатного спуска.
В случае самоуширения линий метилцианида в подгонке,
проводимой отдельно для разных значений
квантового числа K, использовались все имеющиеся
экспериментальные данные. Для уширения азотом
введена прямолинейная зависимость параметров модели
от квантового числа K, при этом в подгонке участвовали
только данные при K = 1 (43 ëèíèè) и K = 7
Лаврентьева Н.Н., Дудар¸нок А.С., Булдырева Ж.В.
является функцией эффективности каналов рассеяния
i → i или f → f (åñëè заменить ii и ff на );
A ll – параметры для определенного ll-типа взаимодействия,
l = 1 соответствует дипольным переходам
и l = 2 – квадрупольным переходам в поглощающей
молекуле. Выражение
Ai f(, )( ) ( ) ( , , , )
p
n
2
0
0
c p vF v b v p if dv
метр прерывания).
Вероятности переходов 2()
bv p if – ïàðàDii
l и 2() îò0(,
, , )
Dff l
носятся к каналам рассеивания i → i, f → f , они
обусловлены только свойствами поглощающей молекулы.
Функция эффективности ()
Pl ii зависит от
межмолекулярного потенциала, траектории относительного
движения молекул, уровней энергии и волновых
функций буферной молекулы. Как было предложено
в [13], функция эффективности ()lP может
быть представлена в виде:
() () ( ),
PP lC
ll
A
(6)
(5)
представляет собой обычное слагаемое теории АЦК,
обусловленное прерыванием
Стр.5