Уширение, сдвиг и интерференция колебательно-вращательных линий атмосферных газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Лаврентьева, Нина Николаевна

• Лаврентьева, Нина Николаевна
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Лаврентьева, Нина Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И ПОДХОДОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ УШИРЕНИЯ И СДВИГА ЦЕНТРА ИЗОЛИРОВАННОЙ ЛИНИИ В УДАРНОМ ПРИБЛИЖЕНИИ.

1. Теория уширения и сдвига спектральных линий в ударном приближении.

2. Метод Андерсона.

3. Метод Робера- Бонами.

4. Межмолекулярный потенциал и модели траекторий относительного движения молекул.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИВОЛИНЕЙНОСТИ ТРАЕКТОРИЙ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ СТАЛКИВАЮЩИХСЯ ЧАСТИЦ.

1. Решение динамических уравнений.

2. Вычисление вклада изотропной части потенциала для криволинейных траекторий.

3. Вычисление вклада анизотропной части потенциала для криволинейных траекторий.

4. Оценки влияния криволинейности траектории на сдвиг линий.

5. Аппроксимация резонансных функций для реальных траекторий в ударной теории уширения.

0 ГЛАВА 3. РЕЗОНАНСНЫЕ ФУНКЦИИ В ПРИБЛИЖЕНИИ

ПРЯМОЛИНЕЙНОЙ ТРАЕКТОРИИ.

1. Исходные формулы, получение резонансных функций для поляризационных взаимодействий.

2. Получение резонансных функций для электростатических Взаимодействий.

3. Асимптотические выражения и некоторые численные процедуры для получения резонансных функций.

ГЛАВА 4. КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ

ПАРАМЕТРОВ КОНТУРА.

1. Колебательная зависимость коэффициента сдвига.

2. Вклады каналов рассеяния.

3. Вращательная зависимость коэффициента сдвига.

4. Вращательная зависимость коэффициента уширения.

ГЛАВА 5. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УШИРЕНИЯ И СДВИГА

ЛИНИЙ ВОДЯНОГО ПАРА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА.

1. Температурная зависимость параметров контура.

2. Температурная зависимость уширения линий водяного пара.

3. Температурная зависимость сдвига линий водяного пара.

4. Температурная зависимость параметров контура углекислого газа. Высокотемпературные банки данных по СОг.

ГЛАВА 6. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ ВОДЯНОГО

ПАРА.

1. Основные соотношения теории ударного уширения интерферирующих линий.

2. Механизм столкновительной интерференции в ИК- спектрах водяного пара и связь между интерференцией линий и случайными резонансами.

3. Расчеты коэффициентов уширения и сдвига, параметров кросс-релаксации для H2O-N2 и Н2О-О2.

4. Влияние интерференции линий водяного пара на атмосферное пропускание излучения ближнего ИК- диапазона.

ГЛАВА 7. ПОЛУЭМПИРИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РАСЧЕТУ УШИРЕНИЯ

И СДВИГА ЛИНИЙ ДАВЛЕНИЕМ БУФЕРНЫХ ГАЗОВ.

1. Основные предпосылки и обоснование полуэмпирического подхода.

2. Обзор экспериментальных данных и результатов расчетов.

3. Уширение и сдвиги линий Н2О.

4. Уширение и сдвиги линий СО2.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Уширение, сдвиг и интерференция колебательно-вращательных линий атмосферных газов»

Актуальность. Знание спектроскопических характеристик молекул находит применение в различных областях науки: физике пламени, лазерной физике, физике атмосферы и астрофизике. Анализ центров и интенсивностей линий позволяет определить энергетические уровни, внутримолекулярную потенциальную функцию, параметры дипольного момента и параметры равновесной конфигурации молекулы.

Параметры контура спектральной линии - коэффициенты уширения и сдвига, константы кросс-релаксации представляют как фундаментальный, так и практический интерес, параметры содержат волновые функции и уровни стационарных состояний и зависит от параметров межмолекулярного потенциала. С другой стороны, они необходимы при расчетах поглощения излучения атмосферой, оценках ослабления лазерного излучения, проходящего через атмосферу и решения задач газоанализа. Как известно, сдвиг более чувствителен к деталям межмолекулярного взаимодействия, чем полуширина, и, следовательно, представляет особый интерес при изучении тонких деталей столкновений молекул и может быть использован при восстановлении параметров потенциала межмолекулярного взаимодействия. Необходимо заметить, что полуширины линий весьма слабо зависят от колебательных квантовых чисел, различие в полуширинах различных полос составляет, самое большее, несколько процентов. В то же время, при анализе измеренных значений сдвига обнаружен сильный колебательный эффект: коэффициенты сдвига одних и тех же вращательных переходов в различных колебательных полосах могут различаться на порядок по величине или иметь другой знак, из чего можно заключить о большей информативности этого параметра линии.

В последние годы заметно возрос интерес к измерениям и расчетам сдвигов спектральных линий атмосферных газов, в том числе и водяного пара, которому в диссертации уделено особое внимание. Знание точных значений сдвигов линий водяного пара давлением азота, кислорода и воздуха необходимо для ряда атмосферных приложений. В частности, сдвиг линий Н2О представляет интерес в задачах лазерного зондирования профиля влажности методом дифференциального поглощения: пренебрежение сдвигом может дать ошибку более 30%. Точность рассчитанных или измеренных коэффициентов уширения и сдвига сильно влияет на точность определяемых оптическими методами параметров исследуемой среды, например температуры или концентрации различных компонент. Для атмосферных приложений необходимо определять полуширины линий в воздухе с точностью не хуже 5%, при этом, необходимо знать полуширины линий водяного пара в спектральном диапазоне 0-20000 см"1 и температурном интервале 200-300К. Такая же точность определения ударных параметров контура необходима при расчете теплового баланса атмосферы, прогноза распространения лазерного излучения через атмосферу, зондирования атмосферных параметров, для исследования атмосфер планет, моделирования спектров излучения пламени и т.д.

В ряде случаев важно учитывать нелоренцевское поведение формы контура в крыльях линий, обусловленное конечной длительностью столкновений и интерференцией линий. Эти эффекты проявляются, например, при уширении линий Q- ветвей в спектрах комбинационного рассеяния водяного пара, континуальном поглощении атмосферы, спектрах водяного пара при высоких давлениях. Интерференция линий приводит не только к искажению лоренцевской формы контура, но и определяет нелинейную зависимость сдвига от давления и увеличение поглощения в микроокнах прозрачности. Исследование влияния интереференции на спектроскопические параметры линий представляет несомненный интерес при решении задач, связанных с лазерным зондированием. Для этих целей эффект интерференции должен быть исследован для атмосферных газов Н2О, СО2, СН4 и др. в смеси с азотом и кислородом при температурах 200-300 К.

В настоящее время спектроскопические банки данных HITRAN, GEISA, HITEMP содержат недостаточно данных о коэффициентах сдвига давлением воздуха, зачастую приведены только средние значения коэффициентов температурной зависимости уширения и нет данных по коэффициентам температурной зависимости сдвига спектральных линий. К тому же, банк данных HITEMP, ориентированный на высокотемпературные приложения, является закрытым и недоступен российским пользователям. Таким образом, очевидно, что имеющейся информации явно недостаточно: банки данных должны быть расширены ^ и дополнены.

Из вышесказанного, очевидно, следуют основные цели и задачи работы: 1. Исследования уширения, сдвига и интерференции спектральных линий, обусловленных давлением буферных газов, с целью получения новых знаний о тонких эффектах внутримолекулярной динамики и взаимодействия молекул. Первостепенными задачами здесь являлись: а) Исследование влияния межмолекулярного потенциала на параметры контура. б) Исследование траектории относительного движения сталкивающихся частиц. с) Исследование внутримолекулярных взаимодействий в процессах уширения, сдвига и интерференции спектральных линий.

2. Разработка новых и совершенствование существующих методов расчета параметров контура спектральных линий (в том числе, параметров, характеризующих температурную зависимость полуширин и сдвигов и интерференцию линий).

3. Практическая реализация разработанных расчетных методик в виде конкретных алгоритмов и программ.

4. Проведение массовых расчетов параметров контура для ряда атмосферных газов. Размещение полученных результатов в спектроскопических банках данных различных направленностей (атмосферных, высокотемпературных и т. д.).

Методами исследования являлись: полуклассический подход в ударной теории уширения спектральных линий; асимптотические методы теории межмолекулярных взаимодействий; численные и аналитические методы вычисления на ЭВМ, численный анализ данных.

На защиту выносятся следующие положения:

1. В рамках полуклассической ударной теории криволинейность траектории сталкивающихся частиц учитывается точно: для любого межмолекулярного потенциала (единственное предположение - его изотропность). Учет криволинейности траектории не меняет основных соотношений теории, а к приводит лишь к переопределению резонансных функций.

2. Сдвиг центра спектральной линии формируется конкуренцией вкладов различных каналов рассеяния: несколько наибольших по величине вкладов в значительной степени компенсируют друг друга, и их суммарный вклад в сдвиг существенно меньше, чем величина отдельного вклада (эффект компенсации вкладов каналов рассеяния).

3. Интерференция линий и внутримолекулярные резонансы между колебательно-вращательными уровнями любого типа связаны друг с другом: они определяются одними и теми же правилами отбора и близостью уровней переходов, вызваемых столкновениями.

4. Разработанный для расчета коэффициентов уширения и сдвига атмосферных газов полуэмпирический метод позволяет адекватно описать их зависимости от колебательных и вращательных квантовых чисел и температуры в диапазоне от 200 до 1000К.

5. Колебательную зависимость сдвига линий определяют поляризационные взаимодействия, в то время как вращательная их зависимость обусловлена, прежде всего, вкладами каналов рассеяния и, следовательно, внутримолекулярными эффектами.

6. Вклад интерференции линий водяного пара в поглощение на реальных атмосферных трассах может составить 6%, поэтому интерференцию необходимо учитывать при расчетах пропускания атмосферой узкополосного излучения ИК диапазона.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что они хорошо согласуются с современными теоретическими представлениями в молекулярной физике и спектроскопии, качественно и количественно совпадают с имеющимися в литературе расчетными и экспериментально определенными параметрами контура спектральных линий.

1. Из разработанной нами модели точных траекторий как частные случаи следуют все известные модели траекторий относительного движения сталкивающихся частиц: модель параболических траекторий в методе Робера-Бонами, модель эффективных прямолинейных траекторий Германа-Типпинга и модель прямолинейных траекторий, используемая в методе Андерсона.

1г 2. Предложенная в работе полуэмпирическая методика расчетов полуширин и сдвигов дает хорошие предсказания. Например, определенные для атмосферных температур параметры модели позволяют получить параметры контура линий в высокотемпературных спектрах. Методика верно описывает колебательно-вращательную зависимость коэффициентов уширения и сдвига (включая высокие значения вращательных квантовых чисел), а также их зависимость от давления уширяющего газа.

3. Рассчитанные по разработанным в диссертационной работе моделям коэффициенты уширения и сдвига линий, а также коэффициенты их зависимости от температуры согласуются с экспериментально определенными в пределах погрешностей измерений (5% для коэффициента уширения).

Научная новизна работы определяется достижением следующих результатов:

1. Получены резонансные функции для поляризационных взаимодействий и электростатических порядка больше трех.

2. Предложен способ учета криволинейности траектории безотносительно к виду потенциала. Метод использует точные решения динамических уравнений.

3. На основе анализа эффекта компенсации вкладов в сдвиг от различных каналов рассеяния предложен способ раскомпенсации указанных вкладов воздействием излучением определенной частоты и получение, таким образом, аномально большого сдвига.

4. Впервые проведены расчеты коэффициентов сдвига линий озона, метана и углекислого газа.

5. Учтено влияние интерференции на сдвиг линий на основе прямых расчетов недиагональных матричных элементов оператора релаксации. Обнаружена связь интерференции с внутримолекулярными резонансами между колебательно-вращательными уровнями.

6. Рассчитаны уширение линий водяного пара, углекислого газа и окиси углерода, а также коэффициенты температурной зависимости для высокотемпературных банков.

7. Предложен и разработан полуэмпирический подход к расчетам полуширин и сдвигов линий различных газов.

8. Колебательно - вращательная зависимость уширения и сдвига объяснена на основе рассмотрения раздельных вкладов в величину параметров контура от различных межмолекулярных взаимодействий и различных каналов рассеяния.

Научная ценность положений и полученных результатов.

Разработанные нами подходы используются не только для проведения расчетов, но и в плане методологии. Метод точных траекторий был адаптирован для конкретных сталкивающихся систем и доведен до расчетных схем в группе Бонами

Безансон, Франция) [1,2]. Таким образом, он вошел составной частью в наиболее известный в мире метод расчета коэффициентов уширения и сдвига - метод Робера-Бонами. Кроме того, Стариковым [3] было инициировано совместное дальнейшее развитие этого метода: предложена аналитическая формула для аппроксимации полученных нами резонансных функций в теории уширения и сдвига спектральных линий молекул, учитывающих криволинейность траекторий сталкивающихся частиц.

Предложенный полуэмпирический подход в теории уширения спектральных линий, основанный на двухпараметрической модификации ударной полуклассической модели, не только позволяет проводить высокоточные массовые расчеты параметров контура, но и, учитывая основные физические закономерности процессов уширения и сдвига линий столкновениями, дает возможность детально исследовать их зависимости от температуры, колебательных и вращательных квантовых чисел и другие.

Практическая значимость и внедрения.

Рассматриваемые в наших работах молекулы играют важную роль в атмосферных процессах, участвуют во множестве химических реакций, которые изучаются различными областями фундаментальной и прикладной науки. Для контроля за их содержанием, а также физическими условиями, в которых они находятся, используются спектроскопические методы, которые требуют точного знания параметров контура спектральных колебательно-вращательных линий в инфракрасном и видимом диапазонах. Практическая значимость работы определяется, прежде всего, заполнением нашими данными различных спектроскопических банков данных. Такие параметры, как коэффициенты уширения и сдвига линий, а также коэффициенты температурной зависимости параметров контура, были помещены в следующие банки:

• ftp://ftp.iao.ru/pub/CDSD-1000 - высокотемпературная версия банка данных для атмосферных приложений, содержащая подробную информацию по ССЬ и N2O. Предназначена как для специалистов, работающих в области фундаментальной науки, так и в области прикладных научно-технических задач (процессы горения и взрыва, детектирования и анализа тепловых выхлопов автомобильных, самолетных и ракетных двигателей),

• http://saga.atmos.iao.ru - информационная система «Атмосферная спектроскопия». Поскольку информационные системы предоставляют пользователю не только сами данные, но и средства их обработки, в систему были помещены (кроме расчетных данных по Н2О, H2S и др.) наши программы, позволяющие рассчитать параметры контура линий и коэффициенты температурной зависимости, исходя из вводимой пользователем спектроскопической информации.

Публикации и апробация работы.

Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печати и доложены на ряде Российских и Международных симпозиумах и конференциях.

Полный список трудов содержит 78 публикаций, основные работы приведены в списке литературы [4-45]. Список трудов содержит 23 статьи в реферируемых журналах (7 - международных) и 11 статей в SPIE. Следует отметить соавторство в коллективной монографии под общ. ред. J1.H Синицы и Е.А. Виноградова [22]. Часть работ выполнена без соавторов [19,22,40].

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Томск, 1985), Всесоюзный симпозиум по молекулярной спектроскопии (Томск, 1986), International Laser Radar Conference, (Томск, 1990), International Radiation Symposium (Tallin, Estonia, 1992), Colloqium on high-resolution molecular spectroscopy (Riccione, Italy, 1993, Glasgow, UK, 1997), Atmospheric Spectroscopy Applications Workshop (Reims, France, 1993, 1996, 1999, Москва, 2002), Симпозиум Оптика атмосферы и океана (Томск, 1997, 1998, 2001, 2003, Иркутск, 2002), Symposium and Scool on High-Resolution Molecular Spectroscopy (Томск, 1991, 1999), 22 съезд по спектроскопии (Звенигород, 2001), Symposium of High Resolution Molecular Spectroscopy-HighRus (Санкт Петербург, 1996, Красноярск, 2003), Байкальская Всероссийская конференция «Информационные и Математические Технологии» (Иркутск, 2003, 2004), International conference on high resolution infrared and microwave spectroscopy (Dobris, Czechoslovakia, 1992, Poznan, Poland, 1994, Prague, Czech Republic, 1996, 1998, 2000), Colloqium on high-resolution molecular spectroscopy (Dijon, France, 1991, 1995, 1999, 2003), Международный Симпозиум по Атмосферной Радиации (Санкт-Петербург, 2004)

Научный уровень диссертации соответствует мировому. Это подтвеждается как современным математическим аппаратом, использованным для разработки методов расчета параметров спектральных линий, так и успешной кооперацией с зарубежными научными центрами, в частности, с Национальным Институтом Стандартов и Технологий (NIST, США), Лабораторией молекулярной физики и приложений (LPMA) Парижского Университета имени Пьера и Марии Кюри, Группой молекулярной и атмосферной спектрометрии (GSMA, UMR, CNRS, Реймс, Франция). Об этом говорят публикации в ведущих зарубежных журналах и совместные публикации с иностранными учеными.

Связь с плановыми работами. Большая часть исследований, представленных в диссертации, выполнена в рамках плановых научно- исследовательских работ по программам «Исследование внутри и межмолекулярных взаимодействий в высоковозбужденных состояниях малоатомных молекул и создание на их основе спектроскопических методов диагностики окружающей среды и технологических процессов» №01.20.0302784, «Спектроскопия возбужденных состояниий атомов, молекул и лазерных сред для создания новых методов и средств диагностики окружающей среды» №03.21.0504543, госконтракта «Спектроскопия сверхвысокого разрешения» по программе фундаментальных исследований отделения физических наук № 2.10 РАН «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты». Работа поддержана: семью грантами РФФИ: № 96-03-34191-а, № 98-02-16375-а, № 98-02-17772-а, № 00-07-90051-в, № 00-02-27135-3, № 01-05-22002-НЦНИ-а, № НШ-373.2003.5), № 02-07-90139-в (автор являлся руководителем гранта № 98-02-16375-а),

• грантом Министерства образования (№Е-02-3.2-91),

• двумя международными грантами: Programmes Internationaux de Cooperation Scientificue (PICS, № 591) и INTAS (№ 03-51-3394).

Структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы и приложений. Полный объем диссертации 236 страниц текста, 47

Заключение диссертации по теме «Оптика», Лаврентьева, Нина Николаевна

Основные результаты проведенных исследований следующие:

1. Разработан метод точных траекторий, реализующий учет криволинейности траектории в ударной теории уширения и сдвига спектральных линий безотносительно к виду межмолекулярного потенциала. Метод отличается от модельных тем, что использует точные решения динамических уравнений движения. В рамках полуклассической теории криволинейность траектории сталкивающихся частиц учитывается точно: для любого межмолекулярного потенциала (единственное предположение - его изотропность). Из разработанной нами модели точных траекторий как частные случаи следуют все известные модели траекторий относительного движения сталкивающихся частиц. Предложенный подход активно используется в мировой практике расчетов параметров контура. Он вошел составной частью в наиболее известный в мире метод расчета коэффициентов уширения и сдвига - метод Робера-Бонами.

2. Предложен полуэмпирический метод расчета полуширин и сдвигов линий различных газов. Разработанный полуэмпирический подход основан на двухпараметрической модификации ударной полуклассической модели. Он не только позволяет проводить высокоточные массовые расчеты параметров контура, но и, учитывая основные физические закономерности процессов уширения и сдвига линий столкновениями, дает возможность детально исследовать их зависимости от температуры, колебательных и вращательных квантовых чисел и другие. Предложенная методика дает хорошие предсказания: определенные для атмосферных температур параметры модели позволяют получить параметры контура линий в высокотемпературных спектрах. Метод верно описывает колебательно-вращательную зависимость коэффициентов уширения и сдвига (включая высокие значения вращательных квантовых чисел), а также их зависимость от давления уширяющего газа.

3. На основе прямых расчетов недиагональных матричных элементов оператора релаксации учтено влияние интерференции на сдвиг и контур линий водяного пара. Обнаружена связь интерференции с внутримолекулярными резонансами между колебательно-вращательными уровнями. Из сопоставления механизмов этих двух явлений делается вывод, что интерференция линий и внутримолекулярные резонансы между колебательно-вращательными уровнями любого типа связаны друг с другом: они определяются одними и теми же правилами отбора и близостью уровней рассматриваемых переходов.

4. Было оценено влияние интерференции на функцию поглощения атмосферы. Получена спектральная зависимость атмосферного поглощения двумя линиями с центрами 12414.2027 см"1 и 12413.9720 см"1, которые соответствуют переходам 634<—541 полосы 8v2 и 652<—541 полосы 3vi+v2. Вклад в пропускание интерференции линий водяного пара в микроокне прозрачности для горизонтальных трасс длиной 400 метров составил 6%, что говорит о необходимости учета интерференции при расчетах пропускания атмосферой узкополосного излучения ИК диапазона.

5. Было обнаружено, что сдвиг центра спектральной линии формируется конкуренцией вкладов различных: несколько наибольших по величине вкладов в значительной мере компенсируют друг друга и их суммарный вклад в сдвиг существенно меньше, чем величина отдельного вклада. Имеет место эффект компенсации вкладов каналов рассеяния. На основе анализа эффекта компенсации вкладов в сдвиг от различных каналов рассеяния предложен способ раскомпенсации указанных вкладов воздействием излучением определенной частоты и получение, таким образом, аномально большого сдвига.

6. Исследована зависимость параметров контура линий водяного пара от колебательных и вращательных квантовых чисел. Колебательно - вращательная зависимость уширения и сдвига объяснена на основе рассмотрения раздельных вкладов в величину параметров контура от различных межмолекулярных взаимодействий и различных каналов рассеяния. Было найдено, что колебательную зависимость сдвига линий определяют поляризационные взаимодействия, в то время как вращательная их зависимость обусловлена, прежде всего, вкладами каналов рассеяния и, следовательно, внутримолекулярными эффектами.

7. Впервые получены резонансные функции для поляризационных взаимодействий и электростатических порядка больше трех в приближении прямолинейной траектории. Эти функции необходимы, чтобы уточнить расчеты параметров контура, включая в рассмотрение взаимодействия более высоких порядков. Были получены асимптотические выражения для случая больших значений параметра Месси и разработаны процедуры численного интегрирования по формулам Гильберта для получения мнимых резонансных функций. Все полученные резонансные функции усреднены по относительным скоростям сталкивающихся молекул.

8. Обнаружено, что учет криволинейности траектории не меняет основных соотношений теории, а приводит лишь к переопределению резонансных функций. Предложена аналитическая формула для аппроксимации полученных с учетом криволинейности траекторий резонансных функций рядами гиперболических тангенсов.

9. Исследована температурная зависимость коэффициентов уширения и сдвига линий Н20 и С02. Согласно разработанной авторами полуэмпирической методике для диапазона температур 200-1000 К были выполнены расчеты коэффициентов уширения и сдвига линий давлением азота и воздуха, а также коэффициенты температурной зависимости параметров контура, и получено хорошее согласие с экспериментальными данными. Полученные в более ранних наших расчетах температурных зависимостей уширения линий водяного пара для больших вращательных квантовых чисел J отрицательные значения температурных показателей были подтверждены экспериментом, поставленным специально с целью проверки данного факта.

10. Разработанные в диссертационной работе методы и подходы были доведены до конкретных расчетных схем и алгоритмов. Создан программный комплекс, позволяющий в рутинном режиме проводить расчеты коэффициентов уширения и сдвига линий, а также коэффициентов их зависимости от температуры. Часть программ, реализующая расчеты по полуэмпирическому методу, внедрена в информационную систему «Атмосферная спектроскопия».

11. Проведены многочисленные расчеты параметров контура линий для ряда атмосферных газов: Н20 - N2, Н20 - 02, Н20 - Air, Н20 - Н2, Н20 - С02, Н20 - СО, С02 - N2, С02 - 02, С02 - Air, С02 - СО, С02 - С02, H2S - N2, H2S - 02, H2S - Air, CO - CO, CO - C02, CH4 - N2, Оз - N2, H2S - N2, H2S - 02, H2S - Air. Впервые проведены расчеты коэффициентов сдвига линий озона, метана и углекислого газа, а также коэффициентов температурной зависимости уширения линий С02 для высокотемпературных банков спектроскопических данных. Рассчитанные по разработанным в диссертационной работе моделям коэффициенты уширения и сдвига линий, а также коэффициенты их зависимости от температуры согласуются с экспериментально определенными в пределах погрешностей измерений (5% для коэффициента уширения).

12. Результаты проведенных расчетов помещены в спектроскопические банки данных. Такие параметры, как коэффициенты уширения и сдвига линий, а также коэффициенты температурной зависимости параметров контура, были помещены в следующие банки: а) ftp://ftp.iao.ru/pub/CDSD-1 ООО - высокотемпературная версия банка данных для атмосферных приложений, содержащая подробную информацию по С02 и N20. б) http://saga.atmos.iao.ru - информационная система «Атмосферная спектроскопия». Кроме расчетных данных по ряду газов в систему внедрены программы, позволяющие рассчитать параметры контура линий и коэффициенты температурной зависимости, исходя из вводимой пользователем спектроскопической информации.

Материалы, изложенные в диссертационной работе, являются обобщением работ автора по данному направлению, выполненных ею в период с 1990 по 2005г., и отражают ее личный вклад в решаемую проблему. Методы и результаты, представленные в главах 1, 3, 4, 5, 7, в большей части принадлежат автору. Метод точных траекторий (глава 2) разработан совместно с д.ф.-м.н. Быковым А.Д. и д.ф.-м.н., проф. Синицей JI.H. Представленные в 6 главе результаты по интерференции линий водяного пара получены также совместно с д.ф.-м.н. Быковым А.Д. и д.ф.-м.н., проф. Синицей J1.H.

В заключении автор считает своим долгом выразить благодарность дирекции института оптики атмосферы, руководству отделением и лабораторией за постоянную и целенаправленную поддержку исследований по параметрам контура спектральных линий. Автор выражает особую благодарность Быкову Александру Дмитриевичу и Синице Леониду Никифоровичу за постановку задач, плодотворное обсуждение результатов, поддержку и внимание; в соавторстве с ними выполнено большинство работ. Часть работ выполнена совместно с ► Пономаревым Юрием Николаевичем, Солодовым Александром Михайловичем,

Савельевым Валерием Николаевичем, Тихомировым Борисом Александровичем, Ворониным Борисом Александровичем, которым автор также выражает свою благодарность. Автор выражает свою признательность коллективу отделения спектроскопии атмосферы за поддержку работы и полезные обсуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Лаврентьева, Нина Николаевна, 2005 год

1., Bonamy J .J., Robert D. Semiclassical calculations with exact trajectory for N2 rovibrational Raman linewidths at temperatures below 300K // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. - 1999. - V.62, - P.321-343.

2. Buldyreva J., Benec'h S., and Chrysos M. Infrared nitrogen perturbed NO linewidths in a temperature range of atmospheric interest: An extension of the exact trajectory // Phys. Rev. A 2000. - V.63, N. 12. - P.708-722 012708 - 0127808-14.

3. Лаврентьева H.H., Стариков В.И. Аппроксимация резонансных функций для реальных траекторий в ударной теории уширения. I. Электростатические взаимодействия, действительные части // Оптика атмосферы и океана. -2005-Т.18, №9. С. 8

4. Быков А.Д., Лаврентьева Н.Н. Вычисление резонансных функций в ударной теории уширения и сдвига // Оптика атмосферы. -1991. Т.4, №7. - С. 518-529.

5. Быков А.Д., Лаврентьева Н.Н., Синица Л.Н. Влияние искривления траектории на сдвиги линий молекул в видимой области спектра // Оптика атмосферы и океана. 1992. - Т.4, №9. - С. 587-594.

6. Быков А.Д., Лаврентьева Н.Н., Синица Л.Н. Вычисление резонансных функций для реальных траекторий // Оптика атмосферы и океана. 1992. - Т.5, №11. - С. 728-730.

7. Быков А.Д., Лаврентьева Н.Н., Синица Л.Н., Барб А., Буазза С., Плату Ж.-Ж. Сдвиг давлением N2 и Ог линий поглощения колебательных полос Vj+v3, 2\{ и 2v3озона // Оптика атмосферы и океана. 1993.- Т.6, №4. - С.349-358.

8. Лаврентьева Н.Н., Савельев В.Н. Особенности расчета уширения линий тетраэдрических молекул. Вращательные преходы типа А и Е // Оптика атмосферы и океана. 1994,- Т.7, №1. - С.29-37.

9. Быков А.Д., Лаврентьева Н.Н., Синица Л.Н. Анализ зависимости коэффициентов сдвига линий Н20 давлением от колебательных и вращательных квантовых чисел // Оптика и спектроскопия. 1997.- Т.83. - С.73-82.

10. Valentin A., Rachet F., Bykov A.D., Lavrent'eva N.N., Saveliev V.N., Sinitsa L.N. J-dependence of the lineshift coefficients in the V2 water vapor band // J. Quant.

11. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1998. - V.59. - P. 165-170.

12. Быков А.Д., Лаврентьева H.H., Солодов A.M. Сдвиги линий водяного пара давлением кислорода и аргона в полосах Vj+V2 и V2+V3 // Оптика атмосферы иокеана. 1999. - Т.8, №12. - С. 93-102.

13. Быков А.Д., Лаврентьева Н.Н., Синица Л.Н. Сдвиги линий Н20 давлением азота, кислорода и воздуха в ударной теории Андерсона // Оптика атмосферы и океана.- 1999. Т.12, №10. - С. 959-967.

14. Valentin A., Claveau Ch., Bykov A., Lavrentieva N., Saveliev V., Sinitsa L. The water vapor nu2 band lineshift coefficients induced by nitrogen pressure // J. Mol. Spectrosc.- 1999.-V.59.-P.165-170.

15. Быков А.Д., Лаврентьева H.H., Синица Л.Н. Расчет коэффициентов уширения и сдвига спектральных линий углекислого газа для высокотемпературных баз данных // Оптика атмосферы и океана. 2000. - Т.13, №12. - С. 1015-1019.

16. Быков А.Д., Лаврентьева Н.Н., Синица Л.Н., Солодов A.M. Влияние внутримолекулярных резонансов на интерференцию спектральных линий водяного пара // Оптика атмосферы и океана. 2001. - Т.9, №9. - С. 846-852.

17. Лаврентьева Н.Н., Солодов A.M. Сдвиги линий водяного пара давлением азота в области 5000-5600см"' // Оптика атмосферы и океана. 2002. - Т. 15, №9. - С. 782785.

18. Tashkun S.A., Perevalov V.I., Teffo J.-L., Bykov A.D, Lavrent'eva N.N. CDSD-1000, the high-temperature carbon dioxide spectroscopic databank // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2003. - V.82, №1-4. - P.165-196.

19. Camy-Peyret C., Valentin A., Claveau Ch., Bykov A., Lavrentieva N., Saveliev V., Sinitsa L. Half-width temperature dependence of nitrogen broadened lines in the v2 band of H20 // J. Mol. Spectrosc. 2004. - V.224. - P. 164-175

20. Лаврентьева H.H. Вращательная зависимость уширения линий Н20 полосы v2 // Оптика и спектроскопия. 2004. Т. 96. - С.247-253.

21. Bykov A., Lavrentieva N., Sinitsa L. Semiempiric approach for the line broadening and shifting calculation // Molecular Physics. 2004. - V.102. - P.1706-1712.

22. Воронин Б.А., Воронина С.С., Воронина Ю.В., Лаврентьева Н.Н. Параметры линий водяного пара и пропускание атмосферы в районе 0,69 микрон // Оптика атмосферы и океана. 2004. - Т.17, № 12. - С. 1071-1077.

23. Bykov A.D., Lavrentieva N.N., Sinitsa L.N. The use of real trajectories in lineshift calculations // SPIE Proc. 1991. - V. 1811. - P.319-325.

24. Bykov A.D., Lavrentieva N.N., Sinitsa L.N. Wide spectral range ATCF calculations for H20 lineshift database//SPIE Proc. 1991. - V.1811. - P. 378-381.

25. Lavrent'eva N.N., Saveliev V.N. Theoretical estimation of shifts of methane lines in the V4 bands // SPIE Proc. 1993. - V.2205. - P. 367-369.

26. Valentin A., Rachet F., Bykov A.D., Lavrent'eva N.N., Saveliev V.N., Sinitsa L.N. J-dependencies of the lineshift coefficients for the V2 water vapor band // Proceedings of

27. Atmospheric Spectroscopy Applications, ASA Reims. 1996. - P. 99-102.

28. Bykov A.D., Lavrentieva N.N., Sinitsa L.N. The resonance function of the pressure broadening and shifting theory for actual trajectories // SPIE Proc. 1996. - V. 3090. -P. 302-305.

29. Lavrentieva N.N., Solodov A.M. Water vapor lineshifting of the nui+nu2 and пиг+пиз bands induced by oxygen pressure: measurements and calculations // SPIE Proc. -1998.-V. 3583.-P. 93-99.

30. Valentin A., Claveau Ch., Bykov A., Lavrentieva N., Saveliev V., Sinitsa L. The measured and calculated linewidths coefficients by nitrogen pressure in the water vapor (OIO)-(OOO) band // SPIE Proc. 1998. - V. 3583. - P. 100-105.

31. Lavrentieva N.N., Solodov A.M. 02 and Ar pressure line shifting of the H20 nui+nu2 and пиг+пиз bands // Proceedings of Atmospheric Spectroscopy Applications, ASA Reims.- 1999.-P.

32. Bykov A.D., Lavrentieva N.N., Sinitsa L.N. Broadening and shifting coefficients, temperature exponents for C02 lines // SPIE Proc. 2001. - V. 4678. - P. 29-35.

33. Lavrentieva N.N., Bykov A.D., Sinitsa L.N. Semi-empirical approach for calculation of H2O and CO2 line broadening and shifting // Abstracts of 18 Colloquium on highresolution molecular spectroscopy. Dijon. 2003. - P.412.

34. Lavrentieva N.N., Stashkovich Yu.V., Voronin B.A., Voronina S.S. Absorption spectrum of water vapour in the 14395 14407 cm"1 region // SPIE Proc. - 2003. -V.5311.-P. 89-95.

35. Lavrentieva N.N. Semiempiric approach for the line broadening and shifting calculation // SPIE Proc. 2003. - V.5311. - P. 206-216.

36. Лаврентьева Н.Н., Солодов A.M. Сдвиги линий водяного пара под действием давления различных буферных газов в области 5000-5600 см-1 // Оптика и спектроскопия. 2005. - Т.98, С. 917-924.

37. V.I. Starikov, N.N. Lavrentieva, Analytical approximation of resonance functions in the exact trajectory model for collisional theory of broadening of ro-vibrational lines. -(in ргеввуВВЕД

38. Anderson P.W. Pressure broadening in the microwave and infra-red region // Phys. Rev. 1949. V. 76. № 5. P. 647 661.

39. Murphy J.S., Boggs J.E. Collision broadening of rotational lines. Theoretical formulation // J. Chem. Phys. 1967. V. 47. № 2. P. 691 702.

40. Murphy J.S., Boggs J.E. Collisional Broadening of Rotational Absorption Lines. II. Self-Broadening of Symmetric-Top Molecules //J. Chem. Phys. 1967. V. 47. N10. P. 4152-4158.

41. Davies R.W. and Oli B.A. Theoretical calculations of H20 linewidths and pressure shifts: comparision of the Anderson theory with quantum many-body theory for N2 and air-broadened lines // JQSRT. 1978. V. 20. P. 95 120.

42. Frost B.S. A theory of microwave lineshifits // J. Phys. B: Atom. Mol. Phys. 1970. V. 9. №6. P. 1001- 1020.

43. Korf D., Leavitt R.P. Cutoff-free theory of impact broadening and shifting in microwave and infrared gas spectra // J. Chem. Phys. 1981. V. 74. № 4. P. 2180-2188.

44. Leavitt R.P. Pressure broadening and shifting in microwave and infrared spectra of molecules of arbitrary symmetry // J. Chem. Phys. 1980. V. 73. № 11. P. 5432-5450.

45. Robert D. and Bonamy J. Short range force effects in semiclassical molecularline broadening calculations // J. de Physique. 1979. V. 40. N 10. P. 923-943.

46. Labani В., Bonamy J., Robert D., Hartman J.-M. and Taine J. Collisional broadening of rotation-vibration lines for asymmetric top molecules. I. Theoretical model for both distant and close collisions // J. Chem. Phys. 1986. V. 84. N 8. P. 4256-4267.57