С помощью перестраиваемого СО2-лазера измерены ненасыщенные коэффициенты поглощения в чистом СО2 и в бинарных газовых смесях CO2 с различными буферными газами (He, Ar, Kr, Xe, N2, O2, CO, N2O, 13C16O2) на центральных частотах линий R (8), R (22), R (34), P (8), P (22) и P (36) перехода 1000-0001 в температурном диапазоне 300-700 К. Описана методика и определены коэффициенты ударного самоуширения и ударного уширения буферными газами линий перехода молекул СО2. Показано, что эффективность взаимодействия CO2 с двух- и трехатомными газами определяется величиной электрического момента. При взаимодействии с инертными газами главную роль играет «массовый» фактор. Установлено, что температурные зависимости коэффициентов для чистого СО2 и всех буферных газов с высокой точностью могут быть аппроксимированы степенными функциями с двумя различными показателями.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
В ряде важных физических задач, таких как расчеты переноса излучения в атмосфере Земли, оптическая диагностика равновесных и неравновесных газовых сред, содержащих углекислый газ (его основной изотоп 12C1602), требуется знание температурных зависимостей ударных ширин спектральных линий СО2 [1-4].
Список литературы
1. Ачасов О.И., Кудрявцев Н.Н., Новиков С.С., Солоухин Р.И., Фомин Н.А. Диагностика неравновесных состояний в молекулярных лазерах. Минск: Наука и техника, 1985. 208 с.
2. Стариков В.И., Лаврентьева Н.Н. Столкновительное уширение спектральных линий поглощения молекул атмосферных газов / под общ. ред. К.М. Фирсова. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2006. 308 с. EDN: QKFYMR
3. Predoi-Cross A., Liu W., Murphy R., Povey C., Gamache R.R., Laraia A.L., McKellar A.R.W., Hurtmans D.R., Malathy Devi V. Measurement and computations for temperature dependences of self-broadened carbon dioxide transitions in the 30012-00001 and 30013-00001 bands // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2010. V. 111. P. 1065-1079. EDN: NBCLWP
4. Аршинов К.И., Крапивная О.Н., Невдах В.В. Лазерная диагностика равновесной газовой смеси СО2: N2 // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 5. С. 387-391. EDN: SMGMCT
5. Аршинов К.И., Аршинов М.К., Невдах В.В. Исследование параметров столкновительно уширенной линии поглощения R(22) перехода 1000-0001 молекулы СО2. I. Эксперимент // Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 112, № 6. C. 914-919. EDN: OYINFZ
6. Rothman L.S., Gordon I.E., Babikov Y., Barbe A., Benner C.D., Bernath P.F., Birk M., Bizzocchi L., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Chance K., Cohen E.A., Coudert L.H., Devi V.M., Drouin B.J., Fayt A., Flaud J.-M., Gamache R.R., Harrison J.J., Hartmann J.-M., Hill C., Hodges J.T., Jacquemart D., Jolly A., Lamouroux J., Le Roy R.J., Li G., Long D.A., Lyulin O.M., Mackie C.J., Massie S.T., Mikhailenko S., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Orphal J., Perevalov V., Perrin A., Polovtseva E.R., Richard C., Smith M.A.H., Starikova E., Sung K., Tashkun S., Tennyson J., Toon G.C., Tyuterev Vl.G., Wagner G. The HITRAN 2012 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. V. 130. P. 4-50. EDN: RFQMHR
7. Rosenmann L., Hartmann J.M., Perrin M.Y., Taine J. Accurate calculated tabulations of IR and Raman CO2 line broadening by CO2, H2O, N2, O2 in the 300-2400 K temperature range // Appl. Opt. 1988. V. 27(18). Р. 3902-3907.
8. Huang X., Gamache R.R., Freedman R.S., Schwenke D.W., Lee T.J. Reliable infrared line lists for 13CO2 isotopologues up to E¢ = 18,000 cm-1 and 1500 K, with line shape parameters // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 147. P. 134-144. EDN: UQNTXD
9. Lamouroux J., Gamache R.R., Laraia A.L., Hartmann J.-M., Boulet C. Semiclassical calculations of half-widths and line shifts for transitions in the 30012 ← 00001 and 30013 ← 00001 bands of CO2. III: Self collisions // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012. V. 113. P. 1536-1546. EDN: PHBRZJ
10. Андреев С.Н., Очкин В.Н., Савинов С.Ю. Влияние температуры на ударное уширение ИК-спектральных линий молекулы СО2 // Квант. электрон. 2002. Т. 32, № 7. С. 647-653. EDN: LHPCEF
11. Young C., Chapman R.E. Line-width and band strengths for the 9.4- and 10.4-mm CO2 bands // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1974. V. 14. P. 679-690.
12. Tashkun S.A., Perevalov V.I. CDSD-4000: High-resolution, high-temperature carbon dioxide spectroscopic databank // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 1403-1410. EDN: OHUCDD
13. Gamache R.R., Lamouroux J., Laraia A.K., Hartmann J.-M., Boulet C. Semiclassical calculations of half-widths and line shifts for transitions in the 30012 ← 00001 and 30013 ← 00001 bands of CO2, I: Collisions with N2 // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012. V. 113. P. 976-990. EDN: NTJIKW
14. Gamache R.R., Lamouroux J., Laraia A.K., Hartmann J.-M., Boulet C. Semiclassical calculations of half-widths and line shifts for transitions in the 30012 ← 00001 and 30013 ← 00001 bands of CO2, II: Collisions with O2 and air // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012. V. 113. P. 991-1030. EDN: NTJIKW
15. Rosenmann L., Hartmann J.M., Perrin M.Y., Taine J. Collisional broadening of CO2 IR lines. II. Calculations // J. Chem. Phys. 1988. V. 88(5). Р. 2999-3006.
16. Буланин М.О., Булычев В.П., Ходос Э.Б. Определение параметров колебательно-вращательных линий в полосах 9,4 и 10,4 мкм СО2 при разных температурах // Опт. и спектр. 1980. Т. 48, вып. 4. С. 732-737.
17. Meyer T.W., Rhodes C.K., Haus H.A. High-resolution line broadening and collisional studies in CO2 using nonlinear spectroscopic techniques // Phys. Rev. A. 1975. V. 12, N 5. P. 1993-2008.
18. Robinson A.M., Weiss J.S. Absorption at 10 mm in CO2-He and CO2-N2 mixtures at elevated temperatures // Can. J. Phys. 1982. V. 60. P. 1656-1659.
19. Аршинов К.И., Крапивная О.Н., Невдах В.В. Коэффициенты столкновительного самоуширения и вероятности спонтанного излучения линий перехода 1000-0001 молекулы СО2 // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 3. С. 193-197. EDN: XXKXCX
20. Šimečkova M., Jacquemart D., Rothman L.S., Gamache R.R., Goldman A. Einstein A-coefficients and statistical weights for molecular absorption transitions in the HITRAN database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2006. V. 98. P. 130-155. EDN: LSYRXL
21. Быков А.Д., Синица Л.Н., Стариков В.И. Введение в колебательно-вращательную спектроскопию многоатомных молекул. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2004. 274 с. EDN: QKBBZL
22. Петрова Т.М., Солодов А.М., Щербаков А.П., Дейчули В.М., Солодов А.А., Пономарев Ю.Н., Чеснокова Т.Ю. Параметры уширения линий поглощения молекулы воды давлением аргона, полученные с помощью различных моделей формы контура // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 10. С. 821-827. EDN: WMNVLF
23. Козодоев А.В., Привезенцев А.И., Фазлиев А.З., Филиппов Н.Н. Систематизация источников спектральных данных, содержащих параметры спектральных линий молекулы диоксида углерода и ее изотопологов в ИС W@DIS // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 4. С. 329-341. EDN: YJXYZT
24. Hartmann J.-M., Tran H., Armante R., Boulet C., Campargue A., Forget F., Gianfrani L., Gordon I., Guerlet S., Gustafsson M., Hodges J.T., Kassi S., Lisak D., Thibault F., Toon G.C. Recent advances in collisional effects on spectra of molecular gases and their practical consequences // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 213. P. 178-227. EDN: RLPHJP
25. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений. М.: Радио и связь, 1983. 304 с.
26. Лешенюк Н.С., Пашкевич В.В. Точностные характеристики диагностики активных сред СО2-лазеров по измерениям коэффициентов усиления // Журн. прикл. спектроскопии. 1987. Т. 46, вып. 4. С. 567-573.
27. Аршинов К.И., Крапивная О.Н., Невдах В.В., Шут В.Н. Ударное уширение линий перехода 1000-0001 молекулы СО2 молекулами N2 и O2 в диапазоне температур 300-700 К // Журн. прикл. спектроскопии. 2017. Т. 84, № 5. С. 679-683. EDN: ZFTLGD
28. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с.
29. Чен Ш., Такео М. Уширение и сдвиг спектральных линий, создаваемые посторонними газами // Успехи физ. наук. 1958. Т. 66, вып. 3. С. 391-474.
30. Невдах В.В., Орлов Л.Н., Лешенюк Н.С. Зависимость от температуры констант скоростей колебательной релаксации уровня 0001 молекулы СО2 в бинарных смесях // Журн. прикл. спектроскопии. 2003. Т. 70, № 2. С. 246-253. EDN: HMRSEL
31. Аршинов К.И., Крапивная О.Н., Невдах В.В., Сырцов С.Р., Шут В.Н. Ударное уширение линий перехода 1000-0001 молекул СО2 атомами инертных газов диапазоне температур 300-700 К // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125, вып. 1. С. 5-9. EDN: XTLSUP
32. Claveau C., Henry A., Hurtmans D., Valentin A. Narrowing and broadening parameters of H2O lines perturbed by He, Ne, Ar, Kr and nitrogen in the spectral range 1850-2140 cm-1 // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2001. V. 68. P. 273-298. EDN: LNABQX
33. Таунс Ч., Шавлов А. Радиоспектроскопия. М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. 756 с.
34. Shinji Nakamichi, Yoshimitsu Kawaguchi, Hisato Fukuda, Shinichi Enami, Satoshi Hashimoto, Masahiro Kawasaki, Toyofumi Umekawa, Isamu Morino, Hiroshi Suto, Gen Inoue. Buffer-gas pressure broadening for the (3001)III-(0000) band of CO2 measured with continuous-wave cavity ring-down spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2006. V. 8. P. 364-368.
Выпуск
Другие статьи выпуска
Показано, что снег с ледовой поверхности озер, расположенных внутри верховых болот, пригоден для мониторинга стока «дальнего» аэрозоля на земную поверхность. По многолетним сведениям о концентрациях твердых и растворенных примесей в таких пробах снега с Барабинской и Васюганской равнин проведена оценка фона зимнего поступления аэрозольного вещества на юго-восток Западной Сибири. Обнаружено, что за счет дальнего переноса на 1 м2 поверхности здесь выпадает около 7 мг аэрозоля в сутки, в том числе в виде твердых частиц - 3,1 мг/м2 в сутки. Зимний сток атмосферных примесей не превышает 10% от годового стока, поэтому существенно не влияет на скорость осадконакопления. В составе твердых примесей стабильно преобладает зольная часть, средняя зольность - 65%. Минерализация талых снеговых вод с поверхности болотных озер близка к глобальному фону минерализации атмосферных осадков.
Выполнен анализ содержания и эволюции коричневого углерода в дымах сибирских лесных пожаров по данным измерений абсорбционной аэрозольной оптической толщи (ААОТ) на трех российских станциях сети AERONET в Томске, Звенигороде и Екатеринбурге. Получены оценки относительного вклада мелкодисперсного коричневого углерода в абсорбцию солнечного излучения на длине волны 440 нм (hBrC), в том числе для ситуации аномального дальнего переноса дымов из Сибири в европейскую часть России летом 2016 г. Значительное содержание коричневого углерода обнаружено в дымах в Томске и Зеленограде (где значения hBrC равны в среднем 15 и 18%). При этом значимых величин hBrC в период прохождения дымов от сибирских пожаров над Екатеринбургом не обнаружено. Выявлено убывание hBrC по мере старения аэрозоля в освещенных условиях с характерным временным масштабом ~ 30 ч. В то же время результаты измерений в Звенигороде свидетельствуют об увеличении абсорбирующих свойств органической составляющей компоненты дымового аэрозоля при гораздо более длительной эволюции.
Исследуются статистические связи между содержанием черного углерода (black carbon - ВС) в столбе атмосферы и альбедо ( А ) подстилающей поверхности, величины которых получены из данных реанализа MERRA-2 для четырех тестовых районов вблизи арктического побережья России в апреле 2010-2016 гг. В анализ включены также метеопараметры атмосферы: температура воздуха, количество жидких и твердых осадков. Статистический анализ проводился по среднесуточным значениям параметров. Повышение температуры воздуха везде сопровождается понижением альбедо поверхности - как в масштабах месяца, так и в ежедневных вариациях. Осадки в виде свежего снега повышают альбедо поверхности. В целом за 7 лет значимая отрицательная корреляция между ВС и А в апреле обнаружена в Ненецком автономном округе и на Гыданском п-ове. Выявлены отдельные годы (в общем случае различные для разных районов), когда коррелируют межсуточные вариации А и ВС в пределах месяца, также с отрицательными коэффициентами. Оценены возможная изменчивость альбедо за счет вариаций разных параметров и изменения его радиационного форсинга.
Исследованы зонально осредненные поля сезонной и долговременной изменчивости общего содержания озона (ОСО), включая приполярные области. Показано, что долговременная изменчивость всех указанных рядов (с пространственным разрешением 3° широты) сводится к параметрическому резонансу с наименьшей из частот приливных колебаний (период 18,6 года). После исключения этого эффекта тренды рядов для всех широтных поясов становятся исчезающе малыми (имеющими разные знаки) и статистически незначимыми. Полученные результаты несовместимы с антропогенной версией «истощения озонового слоя». Указано, что обнаруженное явление параметрического резонанса наблюдается и в литосфере применительно к глобальной тектонической активности.
В работе анализируются изменения продолжительности солнечного сияния (ПСС) в Томске за период 1961-2018 гг. и отдельно за 1961-1990 и 1981-2010 гг. с использованием информации об облачности. Установлено, что фактическое значение средней многолетней месячной ПСС колеблется от 44 ч в декабре до 317 ч в июне - июле. Анализ многолетнего хода ПСС показал, что с 1961 до 1989 г. наблюдался рост, а с 1999 г. - уменьшение ПСС, обусловленное ростом балла нижней облачности и высокой повторяемостью сплошной облачности. В настоящее время ПСС в Томске увеличилась относительно исторического периода 1961-1990 гг. Получены уравнения регрессии между ПСС и суммарной солнечной радиацией, измеренной на TOR-станции ИОА СО РАН в период 1996-2018 гг.
В настоящее время только один классический метод учета рефракции в периоды спокойных изображений позволяет в значительной степени компенсировать ее влияние на результаты геодезических измерений. Однако период спокойных изображений очень мал, и его временные границы крайне сложно оценить. Поэтому, несмотря на многолетние усилия, проблема учета рефракции в геодезических измерениях до сих пор не решена. Благодаря проведенным исследованиям турбулентного метода получена точность определения рефракции, соответствующая инструментальной точности используемого прибора, даже в условиях неустойчивой температурной стратификации атмосферы, когда наблюдаются значительные флуктуации угла прихода пучка лазерного излучения. Исследования выполнены группой компаний «Геодезия и Строительство» совместно с кафедрой геодезии МИИГАиК.
Показано способ измерения мощности структурной характеристики флуктуаций показателя преломления C n 2 на основе данных двухканального турбулентного аэрозольного лидара, работающего на эффекте усиления обратного рассеяния (УОР). Предлагается использовать приближение В. В. Воробьева, которая для случаев проявления турбулентности определяет зависимость C n 2 от отношения эхосигналов. Основанием для этого являются экспериментальные данные, из которых следует, что эффект УОР возникает в относительно небольшой области пространства вблизи рассеивающего объема. Приведены результаты зондирования для горизонтальных трасс.
Теоретически исследуется задача о генерации второй гармоники (ГВГ) в одноосном нелинейном кристалле. Основное внимание уделено оценкам влияния величины волновой расстройки на эффективность ГВГ. Представленные результаты показывают, что оптимальное значение волновой расстройки существенным образом зависит и от мощности, и от выбранного способа фокусировки лазерного излучения в нелинейный кристалл. Предложен достаточно быстро реализуемый алгоритм численного решения задачи оптимизации волновой расстройки. Продемонстрирована возможность использования указанного алгоритма для анализа высокоэффективной ГВГ, включая ситуации, когда КПД нелинейного преобразования достигает своего максимального значения.
С помощью численного моделирования оценено влияние столкновительного уширения линий на точность восстановления профилей температуры тропосферы (0-11 км) из сигналов чисто вращательных Рамановских лидаров. Моделирование проводилось для трех наборов спектральных фильтров с разными полосами пропускания в приемной системе лидара. В качестве источника исходящего лидарного сигнала рассматривался узкополосный лазер с длиной волны 532 нм. В работе представлен сравнительный анализ ошибок восстановления температуры (ошибок калибровки) с использованием девяти калибровочных функций. Для каждого набора фильтров определена калибровочная функция, восстанавливающая температуру тропосферы с наименьшими ошибками.
Издательство
- Издательство
- СО РАН
- Регион
- Россия, Новосибирск
- Почтовый адрес
- 630090, Новосибирская обл, г Новосибирск, Советский р-н, пр-кт Академика Лаврентьева, д 17
- Юр. адрес
- 630090, Новосибирская обл, г Новосибирск, Советский р-н, пр-кт Академика Лаврентьева, д 17
- ФИО
- Пармон Валентин Николаевич (ПРЕДСЕДАТЕЛЬ СО РАН)
- E-mail адрес
- sbras@sb-ras.ru
- Контактный телефон
- +7 (495) 9381848