Российская академия наук
Сибирское отделение
ОПТИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Том 28, ¹ 8
àâãóñò, 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 8 (319), c. 673–760
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Дудар¸нок А.С., Лаврентьева Н.Н., Ма Q. Метод средних частот для расчета полуширин линий молекул типа
асимметричного волчка ......................................................................... 675
Лужецкая А.П., Поддубный В.А., Ципуштанова Т.В. Полуэмпирические
атмосферного аэрозоля на возмущения
потоков
ОПТИКА КЛАСТЕРОВ, АЭРОЗОЛЕЙ И ГИДРОЗОЛЕЙ
статистические
àâãóñò, 2015 ã.
коротковолновой солнечной радиации по
модели влияния
данным
фотометрических измерений ...................................................................... 682
Сакерин С.М., Кабанов Д.М. Мелко- и грубодисперсные компоненты аэрозольной оптической толщи атмосферы
в морских и полярных районах ................................................................... 690
Щелканов Н.Н. Cравнение однопараметрических и двухпараметрических моделей аэрозольного ослабления для
экспериментальных данных аридной зоны Казахстана ................................................. 698
Ионов Д.В., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В. Спектроскопические
ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ,
ГИДРОСФЕРЫ И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
измерения содержания O3
и NO2
в атмосфере: коррекция наземного метода и результаты сопоставления с данными спутниковых измерений ...... 704
АТМОСФЕРНАЯ РАДИАЦИЯ, ОПТИЧЕСКАЯ ПОГОДА И КЛИМАТ
Тартаковский В.А., Крутиков В.А., Волков Ю.В., Чередько Н.Н. Классификация климата путем анализа фазы
температурных ðÿäîâ............................................................................ 711
Михалев А.В., Подлесный С.В., Костылева Н.В., Комарова Е.С. Оптические
характеристики ночного неба
в Восточной Сибири после падения Челябинского метеорита. II. Собственное излучение верхней атмосферы Земли 718
Селегей Т.С., Филоненко Н.Н., Ленковская Т.Н. О методике
определения
метеорологического потенциала
загрязнения àòìîñôåðû.......................................................................... 725
Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Козлов А.В., Козлов А.С., Аршинова В.Г. Нуклеационные всплески
в атмосфере бореальной зоны Западной Сибири. Часть II. Скорости образования и роста наночастиц........... 730
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Коняев П.А., Ботыгина Н.Н., Антошкин Л.В., Емалеев О.Н., Лукин В.П. Об измерении структурной
характеристики показателя преломления атмосферы пассивными оптическими методами ..................... 738
Смалихо È.Í., Банах Â.À., Holzäpfel F., Rahm S. Оценивание параметров самолетных вихрей из массива
радиальных скоростей, измеренных когерентным доплеровским лидаром .................................. 742
Шерстобитов М.В., Цвык Р.Ш., Лобода Е.Л. Анализ последовательности термограмм при определении частоты
вращения факела ............................................................................... 751
Петров Д.В., Матросов И.И., Сединкин Д.О., Тихомиров А.А. Эффективный спектральный прибор для
спектроскопии комбинационного рассеяния света ..................................................... 756
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. 8 (319), p. 673–760
Spectroscopy of ambient medium
Dudaryonok À.S., Lavrentieva N.N., Ma Q. Averaged energy difference method of calculation of asymmetric top line
broadening .................................................................................... 675
Optics of clusters, aerosols, and hydrosoles
Luzhetskaya A.P., Poddubnyi V.A., Tsipushtanova T.V. Semi empirical statistical models of
the
influence
of
atmospheric aerosol on perturbation of fluxes of short-wave solar radiation from data of photometrical measurements 682
Sakerin S.M., Kabanov D.M. Finely and coarsely dispersed components of atmospheric aerosol optical depth
in maritime and polar regions...................................................................... 690
Shchelkanov N.N. Comparison of one-parametrical and two-parametrical models of aerosol extinction for experimental
data of an arid zone of Kazakhstan.................................................................. 698
Remote sensing of atmosphere, hydrosphere, and underlying surface
Ionov D.V., Timofeyev Yu.M., Poberovskii A.V. Spectroscopic measurements of O3
and NO2
atmospheric content:
Improvements to ground-based method and comparison with the data of satellite observations ................... 704
Atmospheric radiation, optical weather, and climate
Tartakovsky V.A., Krutikov V.A., Volkov Yu.V., Cheredko N.N. Climate classification by analysis îf the phases
of temperature series............................................................................. 711
Mikhalev À.V., Podlesny C.V., Kostyleva N.V., Komarova E.S. Optical characteristics of the night sky over Eastern
Siberia after the Chelyabinsk meteorite fall. II. Airglow ................................................. 718
Selegei T.S., Filonenko N.N., Lenkovskaya T.N. On the method of determining meteorological air pollution potential 725
Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Kozlov A.V., Kozlov A.S., Arshinova V.G. Nucleation bursts in the
atmosphere over boreal zone in West Siberia. Part II. Formation and growth rates of nanoparticles ............... 730
Optical instrumentation
Konyaev P.A., Botygina N.N., Antoshkin L.V., Emaleev O.N., Lukin V.P. Àbîut measurement of the structure
characteristic of atmospheric refractive index by passive optical methods .................................... 738
Smalikho I.N., Banakh V.A., Holzäpfel F., Rahm S. Estimation of aircraft wake vortex parameters from array
of radial velocities measured by a coherent Doppler lidar ................................................ 742
Sherstobitov M.V., Tsvyk R.Sh., Loboda E.L. Processing sequence of thermograms in determining rotation frequency
of the torch.................................................................................... 751
Petrov D.V., Matrosov I.I., Sedinkin D.O., Tikhomirov A.A. Effective spectral device for Raman spectroscopy ..... 756
August, 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 8 (2015)
DOI: 10.15372/AOO20150801
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 539.194, 539.196.3
Метод средних частот для расчета полуширин
линий молекул типа асимметричного волчка
À.Ñ. Äóäàð¸íîê1, Í.Í. Ëàâðåíòüåâà1, Q. Ìà2*
1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
634055, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1, Россия
2 Институт космических исследований Годдарда,
Кафедра прикладной физики, Колумбийский университет
10025, ã. Íüþ-Éîðê, Áðîäâåé, 2880, США
Поступила в редакцию 19.02.2014 ã.
Представлен новый метод оценки коэффициентов уширения колебательно-вращательных линий молекул
типа асимметричного волчка. Метод позволяет получить значения полуширин линий на основе небольшого
количества эмпирических данных, не прибегая к сложным вычислениям. На основе анализа экспериментальных
данных получена зависимость средних частот от колебательных квантовых чисел. Подход протестирован
на примере расчета полуширин линий молекул типа асимметричного волчка Н2
О и HDO. Проведено
сравнение рассчитанных параметров контура линий с экспериментальными данными в различных полосах
поглощения.
Ключевые слова: метод средних частот, столкновительный переход, коэффициент уширения линии; the
averaged energy difference method, collisional transition, line broadening coefficient.
Введение
В настоящее время для вычислений ударных
параметров контура колебательно-вращательных линий
используются несколько методов, к числу которых
относятся различные модификации метода Робера–Бонами
(РБ) [1, 2] и некоторые полуэмпирические
(ÏÝ) методы [3, 4]. Полученные по наиболее
часто применяемому формализму Робера–Бонами расчетные
значения демонстрируют хорошее согласие
с экспериментальными данными [5]. Теория РБ не
содержит процедуры прерывания, характерной для
многих методик, она включает действующее на близких
расстояниях атом-атомное взаимодействие и более
реалистично описывает межмолекулярную динамику,
так как учитывает искривление траекторий.
Именно с этим связаны значительные затраты времени
при вычислениях по методу Робера–Бонами.
Кроме òîãî, Ìà, Òipping и Boulet [2] указали на
ошибки, допущенные в формализме Робера–Бонами
при получении основных соотношений для полуширины
и сдвига линии, обусловленные использованием
теоремы о связанных диаграммах. Однако устранение
указанных ошибок не привело к улучшению
сходимости расчетных и экспериментальных значений
параметров по сравнению с методом РБ.
______________
* Анна Сергеевна Äóäàð¸íîê (osip0802@sibmail.com);
Нина Николаевна Лаврентьева (lnn@iao.ru); Qiancheng
Ма (qma@giss.nasa.gov).
Äóäàð¸íîê À.Ñ., Лаврентьева Í.Í., Ма Q., 2015
В настоящей статье мы предлагаем новый метод
расчета столкновительных полуширин линий молекул
типа асимметричного волчка – метод средних
частот – и рассматриваем его апробацию на примере
вычисления коэффициентов уширения линий молекул
данного типа в случае столкновений: H2O–N2,
HDO–âîçäóõ.
1. Основные соотношения метода
Предлагаемый метод основан на оценке вкладов
столкновительных переходов в полуширину спектральной
линии. Идея заключается в том, что из всей
расчетной схемы выделяется совокупность величин,
которые отражают влияние буферной частицы на
внутреннее состояние поглощающей молекулы и из
них компонуется параметр, который в дальнейшем
будем называть средней частотой столкновительных
переходов. Под столкновительными переходами понимаем
все возможные переходы с определенного
энергетического уровня, обусловленные столкновениями.
Полуширина
линии (соответствующей переходу
i → f) в полуклассической ударной теории при условии
прямолинейного приближения траектории относительного
движения сталкивающихся молекул
имеет следующий вид [6]:
() ( ) Re ( ),
i dvvf v dbb S b
if
n2
c
2
i 2 00
675
(1)
Стр.4
где n2 – число молекул буферного газа в единице
îáúåìà; с – скорость ñâåòà; (i2) – заселенность
уровня i2 уширяющей молекулы; v – относительная
скорость сталкивающихся молекул; f (v) – функция
распределения Максвелла; b – прицельный параметр;
S(b) – функция эффективности. Функция
S(b) может быть представлена в виде ряда теории
возмущения по межмолекулярному потенциалу.
Член первого порядка является мнимым и не дает
вклада в уширение линий. Член второго порядка
S2(b) состоит из трех слагаемых:
Re 2 ( )
middle
По сравнению с Re () Sb вклад от
Sb в 2Re ( )Sb незначителен. Входящая
222 2
12
outer
i
outer
2f
ll
12
ll
12
i2
if
Dii l k
() ( ii i i
ll
12
Dii l 1
щающей молекулы, относящиеся к каналам рассеяния
i → i и f → f ; – постоянная Ïëàíêà; 12
(), Dff l() – силы переходов ïîãëîall
–
2
1
Re 12 (0) 1;
ll
12
а
() 1
all
ll k ii i i
t
dt dt e
qq 12––
22
ik ii i i
22
(– )
2
tt v
C t C t
cb qq qq
ll
12
жду молекулами, взаимной ориентации и, следовательно,
от времени. Функция
12
резонансной функцией, ее действительная часть соответствует
полуширине, а мнимая – сдвигу линий.
Параметр
12()
ii i i
22
переходов и определяется следующей формулой:
22
kii 22i i
k
v
ii i i
2 ().
cb
ii
i i2 2
Тогда выражение в фигурных скобках из (3)
запишется как
ll k 22
if
Dii l
f
ii)
22
11
( ) ( ff
f
) .
() ( D ff l
зависит от частот столкновительных
(5)
Для расчета полуширины линии берется действительная
часть резонансной функции:
f ().ii
Re 12 ( )ii i i
(6)
б
В него входят частоты переходов ii, ff для каналов
рассеяния i → i, f → f , матричные элементы
дипольного (l1 = 1), квадрупольного (l1 = 2) ìîìåí676
Рис.
1. Схема вращательных уровней поглощающей молекулы
воды для случаев малых (а) и больших (б) значений
вращательного квантового числа J
Äóäàð¸íîê À.Ñ., Лаврентьева Í.Í., Ма Q.
межмолекулярного потенциала по сферическим компонентам
2l-польных моментов молекул; 11
22 ll
гдеCt – коэффициенты разложения оператора
ll
qq ()
12
12
ql
ql 12
0, 1, ..., ;
Ct зависят от расстояния ìåll
k называется
qq ()
0, 1, ..., ,
ll
12
1 2
12() ( ),
(4)
12
2
числовые коэффициенты, которые выбираются так,
чтобы
22
22
11
D ff l k
( )12 (
2 2
()2 ()
ll
2
) (3)
Здесь 2
l l ff i i ) .
S b Sb Sb S b( ).
()
22 2
outer
( ) 2f
outer
i
()
в (2) сумма 2
виде:
outer
S i и 2
2i
outer
S f
outer
()
Sb f
2
записывается в следующем
SS a D i i l
vb
middle
outer
(2)
тов столкновительных переходов 2
Dii l(), D ()
1
2
ff l 1
и резонансные функции f(ii), f(ff). Произведение
под знаком суммы в выражении (6) определяет вклад
канала рассеяния i → i или f → f в величину полуширины
линии.
На рис. 1 приведена схема вращательных уровней
энергии молекулы воды. Стрелками отмечены
столкновительные переходы с начального i и конечного
f уровней на уровни i, f, соответствующие
дипольным правилам отбора. Толщина столбиков
пропорциональна величине вкладов каналов рассеяния
в полуширину линии. Заштрихованные столбики
относятся к переходам на вышерасположенные
(относительно i и f) уровни энергии, темные – на
нижерасположенные уровни.
Стр.5