Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона

Пташник, Игорь Васильевич

Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Пташник, Игорь Васильевич АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона»

Автореферат диссертации на тему "Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона"

На правах рукописи

Пташник Игорь Васильевич

иис(иЬ5Б4Э

КОНТИНУАЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА В ЦЕНТРАХ ПОЛОС БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск-2007

003055643

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН

Научный консультант доктор физико-математических наук,

ФИРСОВ Константин Михайлович

Официальные оппоненты член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор ТВОРОГОВ Станислав Дмитриевич

Ведущая организация Институт физики атмосферы РАН, г Москва

Защита состоится 8 июня 2007 г в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 003 029 01 в Институте оптики атмосферы СО РАН по адресу 634055, г Томск, пр Академический, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН

Автореферат разослан « » марта 2007 г Ученый секретарь

доктор физико-математических наук, ЮХНЕВИЧ Георгий Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор КИСТЕНЕВ Юрий Владимирович

диссертационного совета д ф -м н

Веретенников В Е!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и состояние научной проблемы

Основные этапы диссертационной работы выполнялись в Институте оптики атмосферы СО РАН в период 1993-2006 гг. в рамках научных направлений «Спектроскопия атмосферных газов» и «Радиационные процессы в атмосфере», являющихся разделами современной атмосферной оптики и геофизики атмосферы (Гуди [1], Зуев и др [2, 3]) Актуальность этих направлений обусловлена как широким использованием лазерных источников для мониторинга природных и техногенных сред, так и процессами глобального потепления климата и возникшей в связи с этим необходимостью более точной оценки радиационного вклада в этот процесс

Катализатором данной работы явились новые достижения в области экспериментальной спектроскопии, а также новейшие теоретические разработки в области квантовой химии, позволяющие получать спектроскопическую информацию не только о молекулах традиционно исследуемых атмосферных газов, но и о более сложных молекулярных комплексах, в том числе комплексах воды

Водяной пар, несмотря на свое относительно малое парциальное содержание в земной атмосфере (0 5—4%), является наиболее важным компонентом, обусловливающим ее радиационный баланс Полосы поглощения водяного пара и области между ними («крылья» полос), называемые «окнами прозрачности» атмосферы, поглощают до 70-80% солнечного излучения, падающего на атмосферу Водяной пар является также одним из наиболее важных парниковых газов в атмосфере

Огромное количество спектральных линий водяного пара и сложность спектра приводят к определенным проблемам при учете поглощения излучения в атмосфере Во-первых, это накладывает серьезные требования на скорость алгоритма полинейного (т е учитывающего все спектральные линии) расчета пропускания излучения в атмосфере, являющегося эталонным в задачах атмосферной оптики Поэтому создание эффективных алгоритмов полинейного расчета пропускания по-прежнему является весьма актуальным и им уделяется основное внимание в 1-й главе данной работы

Рядом исследований было показано, что так называемое «аномальное поглощение» в атмосфере, активно дискутируемое в течение последнего десятка лет и достигающее согласно работам некоторых авторов даже для безоблачной атмосферы 20-30% от полного поглощения солнечной радиации, часто оказывается пропорциональным содержанию водяного пара в атмосфере (Wild и др, 1995 [8], Arking, 1996 [9]) В связи с этим можно найти немало работ, в которых авторы приводят оценки влияния тех или иных компонентов поглощения излучения водяным паром и неточности в знании их параметров на радиационные потоки в атмосфере (Zhong и др , 2001 [7], Fomin и др , 2004 [10] и тд) Анализу и обобщению этих работ, а также новым исследованиям в этом направлении посвящена 5-я глава диссертации

Однако наименее изученным на сегодня компонентом поглощения излучения в водяном паре является не селективное (т е обусловленное центральной частью спектральных линий), а так называемое континуальное (т е слабо зависящее от частоты) поглощение, или «континуум воды», которое дает до 5% вклада в поглощение солнечной радиации в атмосфере и играет огромную роль в поглощении тепловой радиации в окне прозрачности 8-12 мкм

Хотя в силу исторически сложившихся обстоятельств континуум воды часто трактуется только как поглощение дальними крыльями линий водяного пара в окне прозрачности атмосферы, автор использует в данной работе более общее определение континуума, а именно в виде разницы между полным поглощением излучения в водяном паре (обычно получаемым из измерений) и селективным вкладом линий водяного пара, рассчитываемым в пределах 25 см-1 от центра каждой линии на основе контура Фойгта

Природа континуального поглощения водяного пара активно дискутируется уже более 60 лет Обнаруженный в 1918 г Hettner [11] в виде слабоселективной составляющей поглощения водяного пара в окне прозрачности атмосферы 8-14 мкм, феномен континуального поглощения оставался не-объясненным в течение 20 лет В 1938 г Elsasser [12] выдвинул предположение, что континуум воды обусловлен совокупным вкладом дальних крыльев сильных линий поглощения близлежащих полос водяного пара

Гипотеза Elsasser оставалась общепринятой до конца 70-х гг, когда была экспериментально обнаружена сильная квадратичная зависимость континуального поглощения от давления водяного пара, которая не могла быть описана лоренцевским крылом линии, а также сильная отрицательная температурная зависимость В связи с этим в 1967 г Реппег и Varanasi [13] выдвинули альтернативную гипотезу о том, что основной вклад в континуальное поглощение обусловлен не мономерами, а димерами воды (ДВ), т е кластерами, состоящими из двух молекул воды, объединенных слабой водородной связью Аналогичное предположение было сделано годом раньше

Викторовой и Жевакиным [14] для микроволнового спектрального диапазона «Димерная» модель континуума довольно легко объясняла температурную и барометрическую зависимости континуального поглощения, обнаруженные во многих экспериментах (Burch, 1970 [15], Арефьев и Диа-нов-Клоков, 1977 [16] и др )

С тех пор началась долгая научная дискуссия между сторонниками «мономерной» и «димерной» природы континуума воды, продолжающаяся и в настоящее время

С одной стороны, как в России, так и за рубежом были разработаны ab imtio модели крыла линии (Творогов и др, 1976,1986 [17, 18], Ma и Tippmg, 1992, 1995 [19, 20]), которые также достаточно хорошо объясняли вышеуказанные экспериментальные факты и благодаря которым существенная роль далеких крыльев линий водяного пара в континуальном поглощении не оспаривается сегодня большинством исследователей Был исследован также ряд полуэмпирических моделей крыла линии или континуума в целом (Roberts и др , 1976 [21], Thomas и Nordstrom, 1985 [22], Фомин (1986) [23], Clough и др , 1989 [24] и тд), которые, однако (за исключением наиболее широкоиспользуемой сегодня модели CKD [24]), либо имели сильно ограниченную спектральную область применения, либо требовали введения слишком большого количества физически не обоснованных параметров

С другой стороны, после работ [13, 14] ДВ неоднократно обсуждались и обсуждаются как возможный компонент континуального поглощения (Арефьев и Дианов-Клоков, 1977 [16], Montgomery, 1978 [25], Вигасин и др , 1983, 2000 [26, 27], Varanasi, 1988 [28])

В связи со всем вышесказанным следует отметить два следующих обстоятельства

1 Основная часть дискуссии о природе континуума водяного пара до недавнего времени ограничивалась только дальними крыльями полос поглощения и, главным образом, окном прозрачности атмосферы 8-12 мкм, которое играет наиболее существенную роль в радиационном балансе атмосферы, но где отсутствуют какие-либо спектральные особенности континуального поглощения, которые могли бы помочь выделить возможный вклад димеров воды Ввиду большой неопределенности в знании величины и спектральной структуры поглощения ДВ в данном спектральном диапазоне никому из исследователей так и не удалось строго ни доказать, ни опровергнуть возможный вклад ДВ в континуальное поглощение

2 До недавнего времени было общепризнанным мнение, что нет ни одного прямого экспериментального доказательства наличия поглощения ДВ в атмосферных или в равновесных лабораторных условиях при комнатных температурах Все эксперименты последних лет заканчивались неудачей Ввиду очень малого содержания ДВ в естественных условиях в атмосфере

их спектроскопические свойства, подобно другим комплексам, обычно изучались и изучаются в неравновесных (или «негазовых») условиях, например, в резко расширяющихся сверхзвуковых пучках (Nizkorodov и др, 2005 [29]) или в твердотельных «матрицах» при очень низких температурах (Perchard, 2001 [30]) Эти исследования, однако, несмотря на всю их значимость, не могут дать информацию о возможном содержании и спектре поглощения ДВ в реальной атмосфере

Отсутствие прямых экспериментальных доказательств поглощения ДВ в равновесном водяном паре при комнатных температурах является, по-видимому, одной из причин того, что современные модели континуума основаны исключительно на теориях крыла линии

С другой стороны, выполненный диссертантом анализ результатов теоретических работ (Low и Kjaergaard, 1999 [31], Vaida и др , 2001 [32]), появившихся к началу данных исследований, позволил предположить, что наиболее перспективные для обнаружения полосы поглощения ДВ следует искать совсем в других спектральных интервалах, чем это делалось раньше, и в первую очередь — в центрах сильных полос поглощения водяного пара

Все отмеченные выше обстоятельства свидетельствуют о том, что для понимания природы континуального поглощения водяного пара весьма актуальным является экспериментальное исследование континуума именно в центрах полос ближнего ИК-диапазона (2500-14000 см-1), где этот феномен менее всего изучен сегодня и где в настоящее время существует более точная информация о спектральной структуре поглощения ДВ. Этим исследованиям посвящены основные части диссертации (главы 2—4)

Цель и задачи исследования

Целью работы является выявление природы континуального поглощения водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона и оценка влияния погрешности в совокупной спектроскопической информации по водяному пару на расчет поглощения солнечной радиации в атмосфере

В связи с этим были решены следующие задачи

1 Разработан эффективный алгоритм полинейного расчета поглощения излучения атмосферными газами, и выполнено его объединение с программой DISORT (Stamnes и др [33]) для расчета потоков радиации в атмосфере

2 Определены спектральные интервалы, оптимальные для восстановления континуального поглощения водяного пара и димеров воды в ближнем ИК-диапазоне методами абсорбционной спектроскопии

3 При использовании экспериментальных и численных методов восстановлено и исследовано континуальное и селективное поглощение водяного пара в отдельных полосах ближнего ИК-диапазона

4 Выполнен численный анализ совокупности известных экспериментальных работ по определению континуального поглощения водяного пара и поглощения димеров воды в центрах полос ближнего ИК-диапазона

5 Проведены массовые численные расчеты потоков солнечной радиации в атмосфере для разных исходных спектроскопических параметров, определяющих поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли водяным паром

Основные защищаемые положения

1 Предложенная методика определения спектральных областей минимума суммарной относительной ошибки на основе учета погрешности параметров спектральных линий и ошибок эксперимента позволяет адекватно оценивать спектральные интервалы, наиболее перспективные для экспериментальной верификации моделей слабоселективного поглощения излучения в водяном паре

2 Определение величины континуального поглощения водяного пара с погрешностью от 40 до 7% возможно в многочисленных микроокнах прозрачности полос поглощения ближнего ИК-диапазона на основе лабораторных измерений абсорбционными спектрометрами с чувствительностью по поглощению не хуже (2-5) 10~9см_| при использовании современной информации о параметрах спектральных линий Основной вклад в ошибку восстановления континуума при этом обусловлен погрешностью знания интенсивностей и полуширин спектральных линий

3 От 50 до 80% континуального поглощения в чистом водяном паре («self-continuum») в полосах 5300 и 3700 см"1 при комнатных температурах обусловлено вкладом димеров воды При этом часть поглощения димерами воды неявным образом входит в модель континуума CKD ввиду ее полуэмпирического характера

4 Коэффициенты самоуширения линий водяного пара с интенсивно-стями в диапазоне 6 10~22-6 10"21 см/молек, приведенные в базе HITRAN-2004 (v 12 0) для спектрального интервала 5000-5600 см-1, систематически завышены на 10-20%

5 Эволюция в спектроскопической информации по водяному пару с 1994 по 2004 г, включая параметры спектральных линий, модель континуума CKD и оценку вклада димеров воды, может обусловливать изменение в расчете поглощаемой в безоблачной атмосфере солнечной радиации не более 4-5 Вт/м2 (среднее по глобусу)

Методы исследования

Решение поставленных задач осуществлялось посредством совместного использования экспериментальных и численных методов, методов компьютерного моделирования, математической статистики

На основе всестороннего анализа в одной вычислительной схеме объединены разные методы оптимизации полинейного расчета молекулярного поглощения излучения в газовой среде (включая многосеточный алгоритм, селекцию линий поглощения и разработанный новый метод редукции неоднородной трассы к однородной) Созданная программа для полинейного расчета поглощения излучения (ЬВЬИОа) объединена с программой по расчету переноса радиации в атмосфере на основе метода дискретных ординат

(огасжт)

Разработана и использована численная методика нахождения спектральных интервалов, оптимальных для измерения слабой континуальной составляющей при наличии сильного селективного поглощения Выполнены оценки влияния погрешностей параметров спектральных линий на ошибку восстановления континуального поглощения

Разработан и использован алгоритм восстановления параметров спектральных линий из многопроходной итерационной подгонки к сложному экспериментальному спектру, включающий в качестве дополнительного параметра подгонки локальное неселективное поглощение

Научная новизна

На основе численного моделирования впервые показано, что в ближнем ИК-диапазоне существует большое количество микроокон прозрачности, где континуальное поглощение водяного пара может быть зарегистрировано в лабораторных условиях современными спектроскопическими методами с точностью 7—40%

Впервые выполнена массовая экспериментальная верификация модели континуума водяного пара СКБ (С1ои§Ь, Кпе1гу5, Бау^э) в лабораторных условиях в полосах поглощения ближнего ЯК-диапазона' 3200^200, 50005600, 10611, 10685, 11113 и 14400 см"1 Выявлены значительные погрешности, присущие данной модели в рассмотренных спектральных интервалах Впервые при комнатных температурах обнаружен значительный вклад димеров воды в континуальное поглощение водяного пара в центрах полос поглощения 3700 и 5300 см"1 (2 7 и 1 88 мкм) Впервые из прямых измерений поглощения излучения водяным паром определена температурная зависимость константы димеризации при температурах, близких к комнатным Впервые выявлено хорошее согласие независимых экспериментальных данных по поглощению излучения кластерами воды при высоких давлениях (Ветров и др , 1972-1976 [34-36], Поберовский, 1976 [37, 38]) и континуумом водяного пара при низких давлениях (ВигсЬ, 1985 [39], Пташник и др, 2004 [12а], РауШег и др, 2007 [1а]) в полосах поглощения 3700 и 5300 см"1 друг с другом и с предсказанием современной модели димеров воды

Научная и практическая значимость работы

Основная научная ценность работы заключается в выявлении значительной роли димеров воды в формировании континуального поглощения водяного пара в центрах наиболее сильных полос ближнего ИК-диапазона Тем самым внесен значительный вклад в решение вопроса о природе континуального поглощения, который дискутируется в научной литературе на протяжении последних 40 лет Полученные результаты дают основание на разработку новой современной модели континуума, учитывающей совокупный вклад как дальних крыльев линий мономера воды, так и комплексов воды

Разработанный алгоритм прямого расчета пропускания газовой атмосферы может быть использован при решении широкого круга задач атмосферной оптики, для которых необходима оперативная информация о точных количественных характеристиках молекулярного поглощения

Выполненные в работе модельные расчеты по выявлению оптимальных спектральных интервалов для измерения континуума воды и проведенные на их основе экспериментальные исследования в ближнем ИК-диапазоне спектра могут быть использованы для верификации и корректировки современных моделей континуума водяного пара

Проведенная систематизация имеющихся на сегодняшний день погрешностей параметров поглощения водяного пара в ближнем ИК-диапа-зоне и их влияния на точность расчета потоков солнечной радиации в атмосфере может быть полезна в задачах, связанных с оценкой радиационного баланса атмосферы

Уточнены интенсивности и полуширины 460 линий водяного пара в базе Н1Т11А>}-2004 в области 5000-5600 см-1 Показана принципиальная важность учета локального неселективного поглощения для адекватного восстановления параметров спектральных линий из подгонки к эксперименту Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института оптики атмосферы СО РАН с 1993 по 2006 г, а также с 2001 по 2003 г — в Департаменте метеорологии университета г Ридинг (Англия) в рамках гранта ЫЕЯС (ЫЕЯУТ/8/2000/00982, ЖК/Т/8/2000/01020) Разные этапы работы были выполнены при поддержке грантов РФФИ № 00-07-90175-а (2000-2001, исполнитель), 04-07-90123-в (2004-2007, исполнитель), 04-05-64569-а (2004, исполнитель), 04-05-64569-а (2005, руководитель), 05-05-74526-3 (2005, руководитель), а также в рамках Научной школы РИ-112/001/020 (2005)

Достоверность результатов

Достоверность основных результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается использованием современного алгоритма полинейно-го расчета пропускания и переноса радиации в атмосфере, неоднократно

тестируемого и сравниваемого с расчетами других авторов (в частности, с эталонными расчетами Б А Фомина (РНЦ «Курчатовский институт», Москва) и полинейным кодом RFM (A Dudhia, Англия) и т д), использованием постоянно тестируемой и обновляемой базы спектральных линий HITRAN с оцененной погрешностью параметров, согласием модельных расчетов и результатов экспериментов с независимыми измерениями других авторов, выполненными при разных температурах и давлениях водяного пара, а также с современными ab initio моделями Ряд выводов и результатов подтвержден более поздними исследованиями других авторов

Апробация результатов исследований

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XI Симпозиуме и школе по спектроскопии высокого разрешения (HighRus, Москва-Нижний Новгород, 1993), Коллоквиуме «Atmospheric Spectroscopy Applications» (ASA, Reims, France, 1993), XII Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1993), I—III Межреспубликанских симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1994-1996 гг), II Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 1995), XIV Коллоквиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Dijon, 1995), Европейском симпозиуме «Optics for Environmental and Public Safety», «Conference of Lidar and Atmosph Sensing» (Munich, 1995), Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995), 14-й Международной конференции по спектроскопии высокого разрешения (Прага, 9-13 сент 1996), Международной рабочей группе «Atmospheric Spectroscopy Application» (август 2002, Москва), XI и XII Совместном международном симпозиуме «Atmospheric and Oceaninc Optics Atmospheric Physics» (июнь 2004, пленарный доклад) и 2005 г (устный доклад), Томск,), XI Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (2004, Томск), Рабочей группе СЕСАМ «Water Dimers and Weakly Interacting Species in Atmospheric Modelling» (апрель 2005, Лион, Франция, приглашенный доклад), а также опубликованы в 23 статьях в отечественной (13) и зарубежной (10) печати

Вклад автора

Б А Тихомировым, А Б Тихомировым, В А Капитановым (ИОА СО РАН), L Reichert, М D Andres Hernandez (Германия) и другими

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 262 наименований и трех приложений Содержание работы изложено на 248 страницах, содержит 15 таблиц и иллюстрируется 111 рисунками

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, перечисляются решенные задачи и результаты диссертации, которые являются новыми и подчеркивают научную и практическую значимость работы Также приводятся основные положения, выносимые на защиту, ) и информация об апробации основных результатов работы

В первой главе диссертации описываются основные формулы и методики, положенные автором в основу создания нового эффективного алгоритма полинейного (или lme-by-lme (LBL)) расчета пропускания/поглощения излучения в газовой среде

Метод полинейного расчета сводится к ючному математическому учету вклада каждой спектральной линии (образованной в общем случае колебательно-вращательным переходом), находящейся вблизи окрестности заданной частоты В настоящее время данный метод является эталонным и используется при решении самых разнообразных задач оптики атмосферы В данной работе метод полинейного счета также являлся основным инструментом как для модельных расчетов, так и для обработки экспериментальных данных Отчасти это связано с тем, что выделение континуального поглощения из измеренного спектра требует, строго говоря, точного расчета и вычитания селективного вклада спектральных линий

Несмотря на значительный прогресс в развитии вычислительной техники, проблема достаточно быстрых lme-by-lme расчетов (особенно когда речь идет об учете десятков и сотен тысяч спектральных линий в широком спектральном диапазоне, параметры которых в случае неоднородной атмосферной трассы к тому же зависят от высоты) до недавнего времени являлась серьезной проблемой

В 1994 г автором была предложена и реализована простая, но оказавшаяся весьма продуктивной идея - объединить в одной вычислительной схеме наиболее эффективные способы сокращения времени полинейного расчета пропускания газовой среды, разработанные разными авторскими коллективами 1) многосеточный алгоритм Фомина [41], 2) селекцию линий поглощения Мицеля и Фирсова [42], 3) разработанную при участии автора новую модель редукции неоднородной трассы к эквивалентной однородной путем введения эффективных параметров полуширины линии

и поглощающей массы. В итоге была создана программа, называемая далее LBLhoa [20а], которая стала основным инструментом численного моделирования в ходе всей последующей работы.

Созданная программа является сегодня одной из самых быстрых из известных в литературе. За прошедшие 12 лет усилиями диссертанта она неоднократно тестировалась и совершенствовалась.

Так, например, в 2000 г, было проведено тестирование разных алгоритмов расчета контура Фойгта, т.е. основной подпрограммы, используемой в любом алгоритме полиненного счета. Выбором наиболее эффективного (т.е. быстрого и вместе с тем достаточно точного) алгоритма расчета фойгговского контура можно добиться значительного увеличения скорости работы программы полинейного расчета. Наряду с широко используемым на начало данного тестирования алгоритмом Humlicek (1982) [44] и малоизвестным алгоритмом Drayson ( 1976) [43] автором были протсстиposai¡ы также недавно появившиеся алгоритмы Kuntz и Hopfner (1999) [45] и Welis (1999) [46].

Было показано, что все рассмотренные алгоритмы демонстрируют примерно одинаковую максимальную погрешность в зависимости от безразмерного параметра х отстройки от центра линии (vu) и полуширины линии у: х = Vîn2(v-v0)/yu, у - Vln2 7,,/Yu > где yD и yL - соответственно доплеровская и лоренцевская полуширина линии (рис. 1).

Рис. 1, Относительная погрешность вычисления контура Фойгта (fv) алгоритмом Humlicek (1982) [44] (а) и Drayson (1976) |43| (6)

В то же время сравнение скорости расчета рассмотренными алгоритмами (табл. 1) показало, что для большинства возможных значений параметров х и у, включая случаи неоднородных атмосферных трасс, наиболее быстрым является самый «старый» из всех рассмотренных алгоритмов - Огаукоп [43].

Табл. 1. Время расчета (вотнед) контура Фойгта различными алгоритмами Расчеты «реальные условия» были выполнены для вертикальных трасс 0-10 км и 0-100 км, для газов Н20, С02, 03 в интервале 1000-1005 см"1

Входные параметры Drayson [43] Humhcek [44] Kuntz и Hopfner [45] Wells [461

х = 0, у = 0 001 190 160 19 1 20 7

х = 0, у= 50 42 7 1 42 88

х=50, у = 0 001 35 89 44 13 1

х = 50, у = 50 3 5 80 43 88

Реальные условия

(0-10 км) 62 86 70 93

(0-100 км) 89 154 115 195

Для расчета потоков солнечной радиации в атмосфере программа ЬВЬиоа была объединена автором с программой ОГБОЯТ ^ашпев и др [33]), которая решает уравнение переноса излучения в атмосфере методом дискретных ординат Входными параметрами для ОТБСЖТ являются насчитанные программой ЬВЬ спектры оптических толщ для разных слоев атмосферы, характеристики рассеяния и спектр околоземной солнечной радиации (рис 2)

Рис. 2. Функциональная блок-схема «ЬВЬиоа+О^СЖТ», использованная в данной работе для расчета потоков радиации в атмосфере

В заключение гл 1 приведены результаты тестирования созданной программы для разных спектральных интервалов и разных газов, а также результаты сравнения с другими hne-by-lme программами, подтверждающие высокую эффективность нового алгоритма В частности, многократно проводимое сравнение программы LBLhoa с программой RFM (Reference

Forward Model), разработанной в Оксфордском университете (Dudhia, 1997 [47]) и являющейся прототипом известной программы GENLN2, показало, что расхождение в рассчитанной оптической толще для вертикального слоя атмосферы не превышает в среднем 0 5% При этом LBLHOa в 3-4 раза превосходит RFM по скорости счета В результате сравнения были также обнаружены и устранены несколько мелких погрешностей в RFM (см http // www atm ох ас uk/RFM/rfm_bugs html)

Хорошее согласие было получено также при сравнении потоков солнечной радиации, рассчитанных объединенной программой LBLHoa + + DISORT, с расчетами Фомина (1997) [48] по методу Монте-Карло Показано, что относительная погрешность расчета потоков радиации в атмосфере Земли на основе авторского программного блока не превышает в среднем ~1%

Вторая глава диссертации посвящена численной оценке спектральных интервалов, наиболее перспективных для экспериментальной верификации моделей слабоселективного поглощения излучения в водяном паре (в частности, модели континуума MT_CKD [52] и модели димеров воды [40]) в ближнем ИК-диапазоне спектра, где континуум воды наименее изучен в настоящее время

Важность этой части работы обусловлена тем, что в литературе не существует систематического подхода к данной проблеме Хотя каждый исследователь, планирующий измерения континуума, так или иначе оценивает возможность такой регистрации в заданном спектральном диапазоне, такие оценки, во-первых, носят обычно сугубо локальный по спектру характер и почти не озвучиваются в статьях, а во-вторых, они не используют всей совокупной информации по линиям воды в современных базах спектральных линий Между тем необходимость привлечения такой информации обусловлена тем, что для определения величины континуума нужно из общего поглощения вычесть селективный вклад спектральных линий Поэтому погрешность в знании параметров линий будет неизбежно приводить к погрешности в восстановленном континуальном поглощении

В 2003 г автором была разработана и реализована эффективная методика определения спектральных интервалов, оптимальных для измерения континуального поглощения Основной выходной параметр методики — Кмт СКЕ>/ЛКегт (далее «параметр эффективности») - эквивалент отношения сигнал-шум - представляет собой отношение величины континуума согласно модели MT-CKD [52] к величине абсолютной погрешности ДКегг восстановления континуума

-11/2

Дкег» =

£Ak,(v)2+k;

noise

^sys ^Lines+MT CKD> (О

учитывающей погрешности основных параметров спектральных линий в базе HITRAN-2004 [4] (Ак,) и около 500 тыс слабых линий Schwenke и Partridge [5], а также чувствительность детектора (knoisc) и систематическую погрешность измерения/определения полного коэффициента поглощения (8sys) На основе этой методики автором были выполнены массовые расчеты для всего ближнего ИК-диапазона от 0 6 до 4 мкм [За, 5а]

На рис 3,а показан расчетный спектр поглощения линиями водяного пара с учетом и без учета модели континуума MT_CKD (соответственно KLmes+MT_CKD и KLines) Оба варианта расчета подразумевают обрывание контура линии («cut-off») в пределах 25 см"1 от ее центра в соответствии с подходом CKD [24] Поглощение линиями водяного пара (KLmes) рассчитано на основе базы линий Schwenke-Partridge (2000) [5] (далее S&P) с параметрами наиболее сильных линий, взятых из базы данных HITRAN-2004 [4] Этот подход, рекомендованный автору Б А Фоминым, позволяет сохранить более высокую точность параметров для сильных спектральных линий в базе HITRAN-2004 по сравнению с параметрами S&P и учесть в то же время большое количество слабых линий, отсутствующих в настоящее время в базе HITRAN

На рис 3,6 наряду с тривиальным параметром отношения величины континуума к селективному вкладу линий KMT CKD/KL,„cs (серая кривая) показан также «параметр эффективности» KMT CKD/KeiT При этом, Дк, в (1) определялся, как отклонение рассчитанного полного коэффициента поглощения от его первоначальной величины (KLines+MT CKD), обусловленное изменением одного из шести параметров линии (центр линии, интенсивность, коэффициент уширения воздухом и самоуширения, коэффициент сдвига давлением и температурная зависимость) на величину неопределенности этого параметра согласно индексу погрешности в HITRAN-2004 Для слабых линий S&P [5], которые не имеют точной информации о погрешности, ошибки в интенсивности, коэффициентах уширения и температурной зависимости полагались равными 30%, а неопределенность в положении центров линий — 0 2 см"1 В данных расчетах принято 8sys = 0 03 и knoise = = 2 10"9см"', что соответствует возможностям современных абсорбционных спектрометров

Из рис 3 видно, что в ближнем ИК-диапазоне существует большое количество микроокон прозрачности (в основном вблизи центров полос), где параметр эффективности больше 3-10, и, следовательно, континуальное поглощение может быть восстановлено с погрешностью, соответственно, менее 30-10 % из результатов современных измерений

На рис 4 показан выделенный спектральный интервал в полосе поглощения 5300 см-1 Хорошо видны микроокна прозрачности, где параметр эффективности больше 10 Результаты этих расчетов могут быть полезны

экспериментаторам для первоначальной оценки перспективности того или иного спектрального интервала для измерения континуума.

Г"|'"Т

435 3 2.5

РиС.3. Расчетный спектр поглощения чистого водяного пара (20 мбар, '[' = 296К) с учетом и без учета М Г CKD модели континуума воды, а также отдельно модели континуума CK.D-2.4 ¡51] и MT_CKD ¡52) - (а). Отношение величины континуума MT CKD к поглощению линиями коды (Kunes)11 к Цененной погрешности (ДКе,г) определения слабоселективного поглощения на данной частоте («параметр эффективности») - (б)

К.см-1

Kunesl

■ Kunes+iiirrCKtt

■ Kcki>24;

5550

5600

5650

5700

5750

CM"1

1.8 1.79 1.78 ' 177 1.76 175 1.74 1,73 Рис, 4. То же, что и ни рис. 3, но для выделенного спектрального интервала

Подобные массовые расчеты были сделаны для континуума водяного пара при уширспии воздухом (рис. 5), что является более актуальным для атмосферных приложений и аналогичные расчеты были проведены для димеров воды (рис. 6).

4 3 2 1 мкм

Рис. 5. То же, что и ма рис, 3, ни для смеси 20 мбар водяного пара и 993 мбар синтетического воздуха (80% 14, и 20% О-.) для температуры 296 К

Рис. в. Модельный спектр поглощения мономера воды (Ътсй+МТ_СКО) и ли мер о в воды (ДВ), а также модели континуума воды С К 0-2.4 и МТ_СКП для 20 мбар водяного пара при температуре 296 К - (а). Отношение величины поглощения ДВ к полному поглощению мономеров и к оцененной погрешности (ДКСГГ) восстановления неселсктишюго поглощения на данной частоте- (б). Константа димеризации и полуширина полос поглощения ДВ заданы равнымл соответственно Кеч =■ 0,04 атм"1 и Н\\'НМ = 25 см" . Интенсивности и центры полос ДВ - согласно аЬ ШЧо расчетам ЗсЬойе^ и К|асг§аагс1 [40]

Следует отметить, что, несмотря на значительный интерес к димерам воды в последние годы, их поглощение и атмосфере до сих пор не обнаружено. Причины, по которым поглощение димеров так трудно обнаружить в естественных условиях, довольно очевидны. Во-первых, это их весьма

малое содержание при комнатных температурах (менее 0 1% от давления водяного пара) Во-вторых, их широкие диффузные спектрально-неразрешимые при комнатных температурах полосы поглощения маскируются сильным поглощением линий мономера воды В-третьих, существующая до недавнего времени значительная неопределенность всех основных спектроскопических и термодинамических параметров димеров воды Так, например, константа димеризации Keq, определяющая содержание димеров воды Рдв при заданном давлении мономеров Рмв в виде

Рдв=КечРмв2, (2)

варьируется согласно оценкам разных авторов от 0 01 до 0 1 атм"' при комнатных температурах Такая же погрешность присуща современным знаниям о ширине и интенсивности полос поглощения ДВ

На рис 6 показаны результаты расчетов по определению оптимальных спектральных интервалов для обнаружения поглощения ДВ воды в чистом водяном паре Для расчета ЛКегт использовался тот же подход, что и для континуума CKD (см формулу (1)), но в числителе «параметра эффективности» в данном случае стоит поглощение димеров, рассчитанное автором согласно последним ab initio предсказаниям Schofield и Kjaergaard (2003) [40] (далее S&K) для интенсивностей и центров димерных полос Основной вывод, который можно сделать из рис 6, — наиболее перспективные микроокна прозрачности для регистрации слабоселективного поглощения димеров воды находятся в центрах наиболее сильных полос поглощения водяного пара (1600, 3700 и 5300 см"1) Участки крыльев полос в данном случае стоит брать во внимание лишь с определенными оговорками, поскольку лоренцевский контур, используемый в этих расчетах для полос димеров, может неоправданно завышать их поглощение в крыльях Однако этот факт также заслуживает экспериментальной проверки, поскольку в настоящее время в литературе отсутствует достоверная информация о возможной форме крыльев полос ДВ.

Аналогичные расчеты были выполнены для ДВ в атмосферных условиях (рис 7) Эти расчеты показали, что крылья уширенных атмосферным давлением линии водяного пара сильно маскируют слабые неселективные полосы димеров В итоге среди перспективных участков (если не принимать во внимание крылья полос поглощения) остаются только центр полосы 1600 см-1 (6 25 мкм) и ближнее крыло полосы 3600 см-1 (2 7 мкм), что совсем не соответствует тем спектральным интервалам, где были проведены неудачные попытки обнаружить поглощение ДВ в атмосфере (т е вблизи 0 65 мкм - Daniel и др , 1999 [53] и в полосах 0 72, 0 82 и 0 94 мкм - Hill и Jones, 2000 [54])

200С 4000 6000 8000 10000 12000 14000 см-1

¡ГИ'Т"Ч""Г " 1 I..... г—I-'-1-'--1-1-'---—--——

£676 5 13 2 1 мкм

Рис. 7. То же, что и на рис. 6, но для случая уширения атмосферным воздухом (20 мбар I [20 в смеси с 993 мбар воздуха, включая 80% N,, 20% О;, 360 ррм СО,, 0.03 ррм 03, 0.32 ррм NA 0.15 ррм СО и 1.7 ррм CI L,)

В третьей главе диссертации описаны результаты лабораторных измерений континуального поглощения в чистом водяном паре и в смеси с воздухом в центрах отдельных полос ближнего ИК-диапазона (50005600, 10610,10680, 111 10 и 14400 см"1).

В совокупности с участием автора выполнены пять экспериментальных работ (одна из работ вынесена в 4-ю главу). Основной вклад автора заключался в планировании трех экспериментов и в обработке данных и анализе результатов всех пяти измерений. Следует отметить, что данные эксперименты являются первыми в мире по определению континуума воды в данных спектральных интервалах в лабораторных условиях.

Наиболее интересные результаты были получены при восстановлении величины, а также спектральной и температурной зависимости континуального поглощения в чистом водяном паре в полосе 5000-5600 см"1 [12а]. Как было показано в гл. 2, микроокна прозрачности полосы 5300 см"1 являются одними из наиболее перспективных как для верификации модели континуума CKD, так и для попытки обнаружить поглощение ДВ.

Эксперимент на основе Фурьс-спектрометра был проведен К. Smith И D. Newnhaffl в Rutherford Appleton Laboratory (Англия) [12а]. Измерения выполнены в чистом водяном паре при двух температурах (299 и 342 К) и давлениях (20 и 98 мбар). Сглаженный вид остаточного поглощения, вычисляемого первоначально в виде разницы между измеренным спектром оптической толщи и спектром мономеров воды (последний рассчитывался на основе базы H1TRAN-2001 и модели континуума CKD-2.4), показан на рис. 8. Как видно из рисунка, остаточное поглощение очень хорошо согласуется с предсказанием теории димеров Schofield и Kjaergaard [40].

0.10-

I-

S 0.05-и

01 т £ кС

о.оо-

Рис. 8. Остаточное поглощение (ОП) в полипом парс (20 мбар Н20, 128 м, 299 К) [12aJ, определяемое как разница между измеренным спектром и расчетом на основе HITRAN-200!(m) и модели континуума CKD-2.4 [51]. Полуширина полос ДВ и постоянная димеризации Кс() определялись подгонкой к центральному пику ОП

Для получения окончательного вида остаточного поглощения, приведенного на рис. 8, автором был выполнен тщательный анализ экспериментальных спектров, и решено несколько серьезных проблем. Главной из них было отсутствие коэффициентов самоуширения линий водяного пара для данной полосы в базе HITRAN-2Q01 [55], которая являлась последней версией HITRAN на начало данных исследований. Для решения этой проблемы автором была разработана программа восстановления параметров спектральных линий путем многопроходной итерационной подгонки к экспериментальному спектру высокого разрешения. В итоге были определены интенсивности и коэффициенты самоуширения -500 наиболее сильных линий в данном спектральном интервале и значительно поправлены интенсивности и полуширины около сотни линий (рис. 9). Полученные из подгонки коэффициенты самоуширения и интенсивности наиболее сильных линий были импортированы в H1TRAN-2001 (обозначен на рис. 8, как HlTRAN(m)} и использованы для расчета остаточного поглощения.

В ходе этой подгонки автором было обнаружено несколько фактов, которые сами по себе заслуживают отдельного исследования [9а], В частности, было показано, что использование традиционной в Фурье-спектрометрии аподизации спектра и аппаратной функции может приводить к систематическому занижению восстанавливаемых значений интен-сивностей линий с оптической толщей в центре > 1.5-2.

Было показано также, что неучет локальной базовой линии («baseline»), помимо центра линии, интенсивности и полуширины, при подгонке параметров линий, может обусловливать систематическое завышение

................... '' ' ' ' I ' ' • ОП: Измерение - НITRAN(гпи_СKD-2.4

—— Димеры: Keq=0.018 атм-1; HWHM=20cm -1; сдвиг=-12 см-1 ■

........CKD-2,4 континуум т

КкшШ | v\

fix

1 г -

........ -т- , , ...............

5000 5100 6200 5300 540Q 5500 5600

Волновое число, сми

восстановленных интенсивностей и полуширин относительно слабых линий в полосах ближнего ИК-диапазона вследствие влияния континуального поглощения (рис 10)

0403-

I 02Н

е 01-1

к „„ 1_ « 00--

' ч I о 51193 51194

а>

• Эксперимент ••• Н1"ШАМ-2001 — новые параметры линий

5119 5

51196

5119 7

5475 2 5475 3 5475 4 5475 5 5475 6 5475 7 Волновое число, см~1

Рис. 9. Пример сравнения расчетных спектров оптической толщи с использованием НГП1АМ-2001 и Н1Т11АИ-2001(т) (полученного заменой параметров 500 сильных линий на величины, определенные из подгонки) и измеренного спектра поглощения в чистом водяном паре (20 мбар Н20, 297 К)

1 20-

-75-1-кгт-г-

° о

° о п

о Коэффициент самоуширения • Интенсивность

1 00-

10-23

10-20

10-22 Ю-21

5модель> см/молек

Рис. 10. Отношение определенных из подгонки интенсивностей и полуширин линий водяного пара к исходным (модельным) параметрам в зависимости от интенсивности линий (8модель) для случая, когда локальная базовая линия не включена (а) и включена (б) в подгонку Подгонка параметров линий выполнялась для модельного спектра (20 мбар Н20, 296К, 5000-5600 см"1), включающего модель континуума СКО-2 4 [51]

В итоге отношение подогнанных интенсивностей и полуширин к соответствующим параметрам в Н1Т11АМ-2001 [55], показано на рис 11 Видно хорошее согласие средних значений подогнанных и исходных параметров

Ю-«

10-20

Ю-22

10г1

5н|тпаы-20011 см/молек

10-^0

Рис. 11. Отношение Определенных из подгонки (Гшес)) интенсивностей (а) и полуширин (5) к соответствующим значениям в НГГКА1\!-2001. Вместо отсутствующих в ШТКАЬ1-2001 коэффициентов самоуширения использован коэффициент уширен ия по:;;(ухом с множителем 5

Однако к окончанию данных исследований вышла в свет новая версия НГГКАМ-2004 [4], и которой появились коэффициенты самоуширсния линий воды для данной полосы, отсутствовавшие в ШТЙАЫ-ЗОО1. Сравнение подогнанных параметров линий с параметрами в НГ№АМ-2004 (рис. 12) показало наличие значительного систематического завышения интенсивностей (до 5%) й полуширин (от 10 до 20%) в 1ПТКА>1, особенно для коэффициентов самоуширения пиний средней интенсивности (1*10 2|-6-10~21 см/молек). При дальнейшем исследовании было показано, что это ошибка именно в параметрах базы Н1ТКАМ-2004, а не в подогнанных параметрах. Было обнаружено, что скачкообразное изменение отношения коэффициентов самоуширения на рис, 12,6 в области интенсивностей 6-10" см/молек полностью коррелирует с тем, что полуширины линий левее и правее этой «ступеньки» определялись в Н1ТКАЫ-2004 разными способами и, соответственно, имеют разные ссылки.

Другой серьезной проблемой являлось то обстоятельство, что константа димеризации, определенная из подгонки к полученному остаточному поглощению при двух температурах, в совокупности с данными Сигйэз и др. [56] (полученными из высокотемпературных измерений проводимости водяного пара), имела очень слабую температурную зависимость (см, «Измер.- П1ТкАМ(т)_СКО» на рис. 13), Эта зависимость противоречила всем теоретическим предсказаниям и приводила к «нефизичным» значениям

параметров дефекта энтальпии АН и энтропии AS реакции димеризации, определяемым из равенства:

Кс<1= схр {AS/R - AH/RT}. (3)

10-22 10-21 ю-20

Shitran-2004. см/молек

Рис. 12. Отношение определенных из подгонки (Fitted) итспсишостей (а) и полуширин (б) к соответствующим значениям i; HITRAN-20M. Пунктирная кривая па панели (6) разделяет два набора линий, имеющих разные ссылки (см. стрелки) па первоисточник для коэффициентов еамоуширения в I liTRAN-2004

0.03

5 0.06

J> 0.00 0.02

О 00

280 300 320 340 360 380 400 Т (К)

Рис. 13. Теоретические предсказания (кривые) и экспериментальные Значения (значки) константы димеризации КС(,(Т). Затененная область показывает доверительный интервал для ^щграполяции данных Сшизз и др. (1979) [56]. Тонкими пунктирами показана температурная интерполяция,'экстраполяция полученных в данной работе двух разных оценок КС(1(Т) в со покупное™ с данными [56]

• Curt¡£5 и др. (1970) — - Curtiss и др. (1979); экстраполяция —— Slanúia и Grifo (1992): BJHíGпотенциал

--- M.Caro и Niño (1997)

-----Goldman и др. (2001)

\ ■ Данная работа: Иэмер. - H1TRAN(m)_CKD -\ □ Данная работа: Иэмер. - HITRAM(m)_M&T

Решением этой проблема явилось предположение, что часть поглощения димеров воды, наиболее вероятно, неявно входит в модель континуума CKD ввиду ее полуэмпирической природы. Таким образом, было решено определять остаточное поглощение вычитанием из эксперимента не континуума CKD, а модели континуума Ма и Tipping [19]. Поскольку это ab initio модель, основанная на теории крыла линий мономеров, она не может включать поглощение ДВ и, возможно, именно поэтому систематически в 3-4 раза меньше модели СКР в центрах полос водяного пара. Определяемое таким образом остаточное поглощение (рис. 14) - больше, чем в предыдущем случае (см. рис. 8), и температурная зависимость константы ди-меризации идеально ложится в область значений, предсказываемых экстраполяцией высокотемпературных измерений Curtiss и др. [56], и находится В хорошем согласии с моделью Slanina и Crifo (1992) [57] (см. рис, 13).

5000 5100 5200 5300 5400 5500 5600 Волновое число, см'1

Ряс. 14, Остаточное поглощение (011), определяемое в виде разницы между измеренным спектром и рассчитанным на основе ! IITRAN(m) с учетом модели континуума Ма и Tipping [19]. Условия измерений аналогичны условиям па рис. 8

Таким образом, в результате данных исследований было показано, что более 50% континуального поглощения в чистом водяном паре («self-continuum») в полосе 5300 см'1 при комнатной температуре обусловлено вкладом димеров воды. При этом часть поглощения ДВ неявным образом входит в модель континуума CKD ввиду ее полуэмпирического характера.

С участием автора были также проведены эксперименты по определению континуального поглощения водяного пара в смеси с азотом при атмосферном давлении. Как было показано в гл. 2 на основе численной оценки оптимальных спектральных интервалов этот случай является гораздо менее благоприятным для регистрации поглощения димеров воды ввиду сильного

перекрывания крыльями уширенных линий водяного пара. Поэтому речь в этих измерениях шла только о верификации CKJD-модели континуума в случае уширения воздухом, что, впрочем, также является весьма актуальным для атмосферных приложений.

Эксперименты были выполнены Тихомировым и др. [7а| с области 14400 см"1 (0.694 мкм, онтико-акустический спектрометр), Капитановым и др. [ба] в области М II 1 см 1 (0.900 мкм, оптико-акустический спектрометр) и Rcichert и др. [2а] в области S06I2 и 10685 см 1 (0.94мкм, спектрометр внутрирезонагорного затухания). Чувствительность спектрометров по поглощению составляла от 1 до 4• 10 '' см"1. Во всех случаях калибровка спектрометра проводилась по рассчитанному поглощению в центрах наиболее сильных соседних линий, тогда как континуальное поглощение определялось в микроокне прозрачности между линиями (рис. 15). Далее проводилось сравнение эксперимента с тремя видами расчета: HITRAN без континуума п с диумя последними версиями континуума CKD. Окончательно величина континуума определялась из сравнения наклонов экспериментальных и расчетных барометрических зависимостей поглощения в микроокне прозрачности.

Рис. 15. Измеренный и расчетный спектры коэффициента поглощения водяного пара дня смеси 20 мбар 11,0 + 1000 мбар И, при температуре 300 К [6а]

Сводный график восстановленных значений континуального поглощения при уширении азотом в сравнении с предсказаниями моделей континуума СКО показан на рис. 16. Для сравнения приведены также результаты полевых измерений континуума й1егк и др. (2004) [58]. Из рисунка видно, что полученные экспериментальные данные и модель континуума СКО удовлетворительно согласуются в пределах 30-50%.

л л.Л

11108 11110 11112 11114

1111В

Волновое чиспо, СМ"1

......CKD-2 4 континуум (1999)

-MT_CKD континуум (2003)

■ Sierk и др (2004)

О Данная работа (2004-2006)

10000

11000

12000

13000

14000

Волновое число, см*1

Рис. 16. Модельные и экспериментальные сечения континуального поглощения водяного пара при уширении азотом (Рн2о= 15 мбар, Рц2= 1000 мбар, Т = 297 5 К) Сечения, полученные в работе Sierk и др [58], соответствуют уширению атмосферным воздухом

Четвертая глава диссертации представляет собой анализ очень немногих на сегодня экспериментальных данных по поглощению излучения димерами воды в равновесных условиях На начало данной работы большинством исследователей, особенно в западном научном сообществе, считалось, что отсутствуют экспериментальные данные по поглощению ДВ в равновесных условиях при комнатных температурах В ходе данной работы автором были обнаружены и проанализированы результаты «старых», подчас «забытых», экспериментов, которые, как показал их современный анализ, являются дополнительным подтверждением значительного димер-ного вклада в континуум самоуширения в центрах полос водяного пара

Модель континуума CKD, основанная на теории Van Vleck и Huber (1977), изначально предполагает, что континуум водяного пара обусловлен исключительно крыльями линий мономеров Появившаяся в 2003 г новая версия этой модели MT_CKD [52] ввела дополнительный механизм в объяснение континуального поглощения в центрах полос - это столкновитель-но-индуцированные переходы И хотя авторы CKD-модели в этой связи пишут о короткоживущих комплексах молекулы воды и сталкивающейся молекулы, делая тем самым большой шаг в сторону признания метаста-бильных димеров как возможного источника континуального поглощения внутри полос, тем не менее, они по-прежнему настаивают на том, что это мономеры, а не димеры воды, объясняя это отсутствием какого-либо сдвига между спектральными особенностями спектра мономеров и спектром континуума воды Действительно, такой сдвиг должен был бы наблюдаться в случае димерной природы континуума, поскольку, как известно, валентные колебания в донорной молекуле воды в димере возмущены наличием слабой водородной связи с другой молекулой

Между тем, в результате проведенного анализа автором было обнаружено, в частности, что именно наличие заметного сдвига полос поглощения в водяном паре при повышении давления, обнаруженное в экспериментах Ландсберга и Ухолина в 1937 г [59] и отнесенное авторами к кластерам воды, стало толчком к серии высокотемпературных исследований димеров Выводы Ландсберга и Ухолина были подтверждены позднее Franck и Rott (1967) и детально исследованы в серии работ Юхневича и Ветрова (1972) [34], Стыриковича и др (1973) [35], Ветрова (1975) [36], Вигасина и др (2005) [60] Наиболее оригинальный подход был предложен Поберовским (1976) [37, 38] Для выделения вклада кластеров из общего поглощения он использовал два вида измерений 1) при относительно небольших давлениях водяного пара в смеси с азотом высокого давления, 2) при высоких давлениях чистого водяного пара Азот в первом случае использовался для уши-рения линий воды, эквивалентного уширению в случае «2» Оптическая толща паров воды выбиралась одинаковой для обоих случаев путем варьирования длины поглощающей ячейки Используя далее тот факт, что при высоком давлении паров воды содержание димеров гораздо выше, чем в первом случае, Поберовский получал вклад димерного поглощения простым вычитанием двух спектров

Проведенные диссертантом расчеты [4а, 8а] на основе современной спектроскопической информации полностью подтвердили выводы Побе-ровского При отсутствии какого-либо континуума спектры поглощения для обоих видов измерений должны совпадать При добавлении модельного поглощения димеров поглощение в случае чистого водяного пара получается выше, чем в случае уширения азотом (как и в экспериментах Побе-ровского) (рис 17,а)

5000 5100 5200 5300 5400 5500 5000 5100 5200 5300 5400 5500

Волновое число, см-1 Волновое число, см1

Рис. 17. Модельный спектр поглощения в водяном паре, рассчитанный для случаев (1) и (2) в эксперименте Поберовского [37] для температуры 530 К Спектральное разрешение Би'НМ = 15 см-1, (а) — Н1Т11АЫ-2001 плюс модель ДВ [40] (ширина полос ДВ Н\¥НМ = 28 спГ1 [12а], 1^(530 К) = 0 0023 атм"1 [56]) Длина ячейки (1) Ь = 4 4см, (2) Ь = 049см, (б) - Н1ТЯАМ-2001 плюс модель континуума МТ_СК1) [52], (1) Ь = 4 83 см, (2) Ь = 0 49см Разностный спектр (2)-(1) в случае (а) совпадает с исходным спектром ДВ, использованным для моделирования

И, наконец, добавление в расчет не димеров, а модели континуума воды МТ СКБ приводит к прямо противоположному результату, что показывает неадекватность модели СКО при описании континуума в данном случае На рис 18 показано выполненное автором сравнение спектра кластеров из работы Поберовского (1976) [37] со спектром остаточного поглощения Р1а5Ишк и др (2004) [12а], полученного в полосе 5300 см"1 при комнатных температурах Видно очень хорошее согласие результатов этих двух совершенно независимых экспериментов, использовавших к тому же разные способы получения остаточного поглощения Коэффициенты 5 и 5 5, использованные на рис 18 для нормировки авторского результата к результату Поберовского, очень хорошо согласуются с оценками этого множителя, исходя из температурной зависимости константы димеризации и разницы в давлении водяного пара и оптической длине пути в этих двух экспериментах Дополнительный пик поглощения в области 5160 см"1 в спектре Поберовского [37] по сравнению со спектром низкого давления в работе Р1азЬ-шк и др [12а] на рис. 18 обусловлен, скорее всего, вкладом кластеров воды более высокого порядка (например, тримерами, содержание которых пропорционально 3-й степени давления водяного пара) Аналогичный пик, например, присутствует также в спектре остаточного поглощения, полученного при более высоком давлении водяного пара в работе [12а] (рис 18)

I .

с о

I-

| 05-о 0) т

s с О

005000 5100 5200 5300 5400 5500 Волновое число, см-1 Рис. 18. Сравнение спектра поглощения кластеров воды, полученного в работе Поберовского (1976) [37], с остаточным поглощением (ОП), определенным в эксперименте Ptashnik и др (2004) [12а] в виде «Измерение — HITRAN-2001(ш)_и_ М&Т-континуум») для двух давлений водяного пара

Аналогичный анализ был выполнен автором для измерений Поберовского в полосе 3700 см"1 [38] Данная полоса, как показали результаты численного моделирования, является наиболее перспективной для регистрации поглощения димеров

В результате дальнейших целенаправленных поисков для данного спектрального диапазона диссертанту удалось обнаружить, что эксперимент Burch (1985) [39] по измерению континуального поглощения в чистом

I ■ 1 ■ ■ I ■ ■ ■ ' I 1 1 ■ ■ I

——- Кластеры воды (Поберовский, 1976) • ОП * 5 (20 мбар, 128 м, 299 К) О ОП * 5 5 (98 мбар, 9 8м 342 К)

Тримеры С)

водяном паре в полосе 3700 см"1 При комнатной температуре (который никогда и никем ранее не рассматривался в качестве аргумента в пользу димерной природы континуума) демонстрирует очевидные «пики» несе-лектнвного поглощения (рис. 19,а), которые отсутствуют в современных версиях модели СКП, но хорошо согласуются с предсказанием современной теории димеров 8сЬоАе1(1 и К|асг§аагс1 [40],

В 2006 г., по инициативе диссертанта, английскими коллегами в лаборатории резерфорда совместно с университетом г. Ридинга (Англия) был проведен эксперимент (РауЩег и др. [1а]) по проверке 20-летней давности эксперимента ВштЬ. Результаты этих современных измерений, выполненных на основе Фурье-спектрометра с высоким спектральным разрешением и при нескольких температурах, полностью подтвердили результат Вигс!1 [39] (рис. 19,6).

Наконец, сравнение этих результатов с высокотемпературным спектром кластеров воды Поберовского [38] также свидетельствует об их хорошем согласии (рис. 19,6).

г I

3400 3500 3600 370Э 3800 3900 СМ"1

Рис. 19. Спектры поглощения, смоделированные в данной работе и полученные в работе Burch 139] для чистого водяного пара (Рн2о= 23 мбар, Т = 296 К); (я) - расчетный спектр мономеров воды (HITRAN-2004); модели континуума CKD-2.4 [511 и MT_CKD [52]; модель ДВ S&K |40|; эмпирический континуум iîureli [39]; (6) - добавлен экспериментальный спектр континуума воды, полученный в работе Payntèr и др. |1а] и высокотемпературный спектр кластеров поды Поберовского [38]

Следует отметить, что если в полосе 5300 см 1 величина восстановленного остаточного поглощения довольно чувствительна к погрешности параметров линий водяного пара, то в полосе 3700 см-1 никакая «разумная» погрешность параметров линий (вплоть до 100% для сильных линий) не может нивелировать полученные экспериментально «димерные» особенности. Кроме того, поглощение линий мономеров воды имеет почти нулевую температурную зависимость в центрах рассмотренных полос, что никак не соответствует полученной в работе РауМег и др. [1а] сильной температурной зависимости остаточного поглощения (рис, 20)

Таким образом, если на начало данных исследований константа диме-ризации была известна в области комнатных температур с большой степенью неопределенности (см. рис. 13), вклад автора (рис. 20) позволил значительно уменьшить эту погрешность.

Следует отметить также, что несмотря на значительные разногласия (в несколько раз), существующие сегодня между разными теоретическими предсказаниями для величины и температурной зависимости константы димеризации, значения, восстановленные из разных экспериментальных данных, включая работы автора, согласуются друг с другом в пределах -25% (рис. 20),

0.С8 0.06

5 0.04 0.02 0.00

Рис, 20. Температурная зависимость константы димеризации согласно разным авторам. Символы соответствуют экспериментальным данным, линии -ab initio расчетам; (*) получено диссертантом или при его участии

Таким образом, % результате проведенного в гл. 4 анализа было впервые выявлено хорошее согласие между результатами независимых экспериментов по равновесному поглощению излучения кластерами воды и континуумом водяного пара в полосах поглощения 3700 и 5300 см"1 при высоких и низких давлениях и их соответствие предсказанию современной теории димеров воды Schofield и Kjaergaard (2003) [40].

■ у ■ ' 1 г-" ' 1 ' ' 1 ............... т 1 р 1 ■£г Поберовский (1976)

S. \ ■ Curtiss идр. (1979)

\ \ Д Подгонка к Burch (1985)* ■

\ 4 Л — Slanina & Crifo (1932) -----M.Caro & Nino (1997)

4 чСч ' ------Goldman и др. (2004)

о Ptashnik и др. (2004)*

-Scribano и др. (2006)

о Paynter и др. (2007)-

300 320 340 360 380 400 420 440 Т, К

Пятая глава диссертации является прикладной и посвящена анализу проблемы возможного вклада водяного пара в аномальное поглощение солнечной радиации в безоблачной атмосфере Одной из целей было проверить, не может ли наблюдаемое в последние годы уменьшение количества работ, в которых сообщалось бы об избыточном поглощении в атмосфере, быть обусловлено эволюцией/улучшением спектроскопической информации по водяному пару за последние 10—12 лет. Для этого автором было исследовано влияние эволюции в спектроскопической информации по водяному пару с 1994 г на точность расчета потоков солнечной радиации В первом разделе приведены результаты экспериментов с участием автора по определению интегральных интенсивностей полос поглощения водяного пара 5300, 7200 и 8800 см-1 и оценки возможного влияния полученных поправочных множителей на расчет поглощения солнечной радиации в безоблачной атмосфере [13а]

Было показано, в частности, что интенсивности линий для полосы 2v + 5 (8800 см-1), приведенные в базе данных ESA [6], сильно завышены Это видно из табл 2 Полученные результаты приведены в ней в виде поправочного множителя к базе HITRAN-2000 Восстановленные значения для полосы 2v, находятся в хорошем согласии с результатами более поздней работы Маско и др [62], обнаруживших систематическое занижение интенсивностей линий всей этой полосы в HITRAN-2000 в среднем на 8% Авторские оценки для центра данной полосы показали ~12% превышение над HITRAN-2000 (табл 2)

Табл 2 Поправочный множитель «Эксперимент / HITRAN-2000» для интеграль-

ных интенсивностей полос водяного пара в интервале 1-2 мкм

Полоса Интер )вал Данная ESA (2001) Macko и др

Гсм-'l I Гмкм] работа (2004)

v + 8 5000-5800 1 72-2 00 0 94 (3) - -

2v 6600-7600 1 32-1 52 1 12 (5) - 1 08

2v + 8 8400-9200 1 09-1 19 1 12 (4) 1 38 -

Выполненные автором расчеты показали, что поправка к интенсивно-стям линий HITRAN-2000, полученная в результате новых измерений «плюс» поправка к HITRAN базы ESA выше 10000 см"1, обусловливает изменение в расчетной величине поглощенной в атмосфере солнечной радиации до 1 5%

Показано, что зарегистрированное в полосах 2v и 2v + 8 в среднем 12% превышение над HITRAN-2000 не может быть объяснено «слабыми» линиями, отсутствующими в этой базе, но, скорее, должно быть приписано погрешности линий, приведенных в HITRAN-2000 (рис 21)

1--—Г—.-г—,-,-----,--1-.-г-.----i---1---,----

1.5 1.4 13 1.2 1.1 м км

Рис. 21. Спектральная зависимость определенных в данной работе экспериментальных поправочных множителей (ИМ) к иптепсивиостям линий водяного пара u l lll'RAN-2()00 к сравнении с расчетным спектром ПМ, обусловленного вкладом слабых линий Schwenke и Partridge [5|. Серым фоном показана погрешность экспериментальных 11М

Во втором разделе главы автором рассмотрены такие факторы, влияющие на точность учета вклада водяного пара в поглощение солнечной радиации, как использование разных версий модели континуума CKD (CKD-1, CKD-2.4 и MT CK.D (рис. 22,6)), разных версий базы данных HITRAN (HITRAN-96, HITRAN-2000, HITRAN-2001 и H1TRAN-2004 (рис. 22,в)), учет около 500 тысяч «слабых» линий водяного пара S&P [5] (рис. 22,г) и возможный вклад поглощения д им ерами воды (рис. 23), оцененный на основе полученной в данной работе новой информации о константе диме-ризации и полуширине димерныХ полос.

В результате в табл. 3 приведена сводная информация о влиянии разных модификаций в спектроскопической информации по водяному пару с 1994 г. на расчет средней по глобусу поглощенной солнечной радиации а атмосфере. Из табл. 3 видно, что максимальная погрешность при использовании разных исходных данных может достигать 4-5 Вт/м2 (среднее по глобусу) или соответственно 5 6% от полного поглощения солнечной радиации в атмосфере. Это, несомненно, является большой величиной, но все же может объяснить лишь небольшую часть «аномального поглощения» в атмосфере, зарегистрированного в работах Arking и др. (1996) [9] (~17 Вт/м2 и более) для случая безоблачного неба. Скорее всего, такое аномальное поглощение было обусловлено совокупностью многих факторов - как рассмотренных в данной работе, так и других, включающих, например, неточный учет аэрозольного ослабления (в частности, сажевого аэрозоля), Неточность калибровки приборов и т.д.

Flux Bt/(mz'cm;1)

I H2Q ÍMLS-rneleo-model), SZA=30°J

0.06-

0.04-

0.00-

0.002-

I HITKAN-2(J04 - HITKAN-200l|

(в);

0 003^ 0,002-i 0.001 O.OOO^I

| нигапгооо - (нигзпгооо t en s&pfii

—4h. jj. JL i i

5000 10000 15000

Рис, 22. Расчетный ноток прямой солнечной радиация у поверхности земли, при зенитном угле солнца 30" (а). Разностный поток (¿Flux) между расчетами е использование^: CKD2.4 и MT_CKD моделей континуума (б); баз данных IIITRAN-2004 и IliTRAN-200i (в); «слабых» линий S&P |5| (г). Пунктиром показан кумулятивный разностный поток (правая ось ординат). Для расчетов использована метеомодель MLS [49] с учетом поглощения только линиями IЬО и релеевекого рассеяния

„ 0.015

в х i

Ш 0.010

Прямой солнечным поток/5; (без Дв) - ВкладДЗ

Кумулятивный вклад ДВх А« М^.аЛН,

jlf\ llflf1

J| Щ I

'! И I

2000 1000

......Г

7 4 Ф

в| С

6 з

5 о с 1 о

С I

8000 10000 12000 14000 16000 Волновое число, см-1

Рис. 23. Расчетный спектр прямой солнечной радиации у поверхности земли, а также верхняя и нижняя оценки спектрального и интегрального (правая ось) вклада димеров воды в поглощение для тропической атмосферы (солнце в зените)

Следует отметить, что результаты расчетов автора по оценке влияния обновления параметров линий водяного пара в базе данных HITRAN, моделей континуума CKD и вклада слабых линий Schwenke и Partridge находятся в удовлетворительном согласии с более ранними и более поздними работами других авторов (например, Zhong и др [7], Fomm и др [10] и т д) Эти работы, однако, не включали в рассмотрение последнюю базу данных HITRAN-2004, модель континуума MT_CKD и возможный вклад димеров воды

Табл. 3. Погрешности в расчете поглощаемой в атмосфере усредненной по глобусу солнечной радиации, обусловленные неопределенностью в исходной спектроскопической информации по водяному пару Спектральный интер_вал 2500-20000 см"' (0 5^1 мкм)_

№ Источник неопределенности Погрешность, Вт/м2 Доля от общего поглощения в атмосфере*1*, %

HITRAN-1996 - HITRAN-2001 0 27 0 35

1 HITRAN-2000 - HITRAN-2001 02 0 25

HITRAN-2001 - HITRAN-2004 0 73 1 0

2 CKD-2 4 - CKD-1 (континуум) MTCKD - CKD-2 4 (континуум) 08 07 1 1 09

3 Слабые линии Schwenke-Partridge 09 1 2

4 Экспериментальные поправки к HITRAN-2000 (данная работа + ESA) 1 1-1 5 1 4-2 0

5 Поглощение димерами воды 0 6-15 0 8-2 0

Итого (максимальная оценка) 4 0-4 9(2) 5 2-6 4(2)

^ ~80 Вт/м2 среднее по глобусу

<2) Итоговая оценка не включает поправку под номером 4 в таблице, поскольку полагается, что большая часть этой поправки дублируется поправками под номерами 1 и 3

В заключении сформулированы основные результаты диссертации Приложение А содержит список основных обозначений и сокращений, используемых в работе

Приложение Б содержит информацию об основных метеомоделях, используемых при расчетах в данной работе

Приложение В содержит полученные автором результаты подгонки параметров линий водяного пара в полосе 5000-5600 см"1

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В заключение резюмируем наиболее важные результаты работы

1 В результате объединения в одной вычислительной схеме последних достижений в разработке методов ускорения полинейного счета создан новый эффективный алгоритм полинейного расчета пропускания газовой атмосферы, являющийся на сегодняшний день одним из самых быстрых из известных в литературе

2 Предложена численная методика, и на ее основе впервые показано наличие большого количества микроокон прозрачности в ближнем ИК-диапазоне, в которых континуальное поглощение водяного пара может быть экспериментально восстановлено методами современной абсорбционной спектроскопии с точностью 7-40%

3 Впервые проведена массовая верификация модели континуума СКБ в полосах поглощения ближнего ИК-диапазона (3700, 5300, 10600, 11100 и 14400 см"1, и выявлена значительная степень погрешности, присущая этой модели

4 Впервые обнаружен значительный (более 50-70%) вклад димеров воды в континуальное поглощение водяного пара в центрах полос 3700 и 5300 см"1 при комнатных температурах Показано хорошее согласие с результатами независимого эксперимента ВигсЬ (1985) и измерениями Ветрова и др (1975) и Поберовского (1976) при высоких давлениях и температурах водяного пара

5 Впервые получены факты, свидетельствующие, что часть поглощения димеров воды неявным образом входит в современную модель континуума СКТ)

6 Впервые из прямых измерений поглощения излучения водяным паром определена температурная зависимость константы димеризации при температурах, близких к комнатным

7 В результате подгонки к экспериментальным спектрам определены интенсивности и коэффициенты самоуширения 460 линий водяного пара в области 5000-5600 см"1 Показано, что коэффициенты самоуширения линий воды с интенсивностями в диапазоне 6 10~22-6 10"21 см/молек, приведенные в базе Н1ТИ.АМ-2004 (у 12 0) для данного спектрального интервала, являются завышенными на 5-20%

8 На основе численного моделирования определены спектральные интервалы, перспективные для обнаружения поглощения излучения димера-ми воды в лабораторных и атмосферных условиях в ближнем ИК-диапазоне спектра

9 Рассмотрено влияние разных погрешностей в знании исходных спектроскопических параметров водяного пара (включая разные версии базы данных ШТЯАК, разные версии модели континуума СКГ), влияние

«слабых» линий Schwenke-Partridge и влияние димеров воды) на расчет потоков солнечной радиации в атмосфере Показано, что эволюция этих параметров с 1994 по 2004 г. может обусловливать изменение в расчете поглощаемой в безоблачной атмосфере солнечной радиации не более 4-5 Вт/м2 (среднее по глобусу)

Главный вывод данной работы заключается в том, что димеры воды играют значительную роль в формировании «континуума самоуширения» водяного пара в центрах наиболее сильных полос ближнего ИК-диапазона (как минимум, это полосы 3700 и 5300 см"1) при комнатных температурах Полученные результаты дают основание на разработку новой современной модели континуума, учитывающей совокупный вклад как дальних крыльев линий мономера воды, так и комплексов воды

Цитируемая литература

1 Гуди Р М, Атмосферная радиация М Мир, 1966 522 с

2 Зуев В Е, Макушкин Ю С, Пономарев ЮН, Спектроскопия атмосферы (Современные проблемы атмосферной оптики ТомЗ) JI Гидрометеоиздат, 1987, 248 с

3 Зуев В Е, Титов Г А , Оптика атмосферы и климат (Современные проблемы атмосферной оптики Том 9) Л Гидрометеоиздат, 1996, 272 с

4 Rothman LS и dp, The HITRAN 2004 Molecular Spectroscopic Database // JQSRT, 96(2), 139-204 (2005)

5 Schwenke D W, Partridge H, Convergence testing of the analytic representation of an ab-initio dipole moment function for water Improved fitting yields improved intensities//! Chem Phys, 113 (16), 6592-6597 (2000) (Автор использовал результаты расчетов параметров линий, выполненных С А Ташкуном на основе программы D W Schwenke и размещенных на сайте SPECTRA http //spectra iao ru)

6 BelmiloudD, SchermaulR, Smith К M, ZobovNF, BraultJW, Learner RCM, Newnham D A , Tennyson J, New studies of the visible and near-infrared absorption by water vapour and some problems with the HITRAN database // Geophys Res Lett, 27(22), 3703-3706 (2000)

7 Zhong W, HaighJD , Belmiloud D , Schermaul R, Tennyson J, The impact of new water vapour spectral line parameters on the calculation of atmospheric absorption // Quart J Roy Meteorol Soc, 127, 1615-1626 (2001)

8 Wild M, OhmuraA , Gilden H, Roeckner E, Validation of general circulation model radiative fluxes using surface observations // J Climate , 8, 1309-1324 (1995)

9 Arking A , Absorption of solar energy in the atmosphere discrepancy between model and observations // Science, 273, 779-782 (1996)

10 FominBA, UdalovaTA, Zhitnitsku E A, Evolution of spectroscopic information over the last decade and its effect on line-by-line calculations for validation of radiation codes for climate models // JQSRT, 86, 73-85 (2004)

11 Hettner G, Infra-red absorption spectrum of water-vapour // Ann Phys, 55, 476-496 (1918)

12 Elsasser WM, Mean Absorption and Equivalent Absorption Coefficient of a Band Spectrum // Phys Rev , 54, 126-129 (1938)

13 PennerSS, Varanasi P, Spectral absorption coefficient in the pure rotational spectrum of water vapor // JQSRT, 7,687-690 (1967)

14 Викторова A A , Жевакин С A , Димеры воды и их спектр // ДАН СССР, 171(4), 833 (1966)

15 Burch DE, Investigation of the Absorption of Infrared Radiation by Atmospheric Gases // Semi-Annual Technical Report Philco-Ford Corporation, Aeronutronic Division, Newport Beach, С A, Rept U-4784, 1970

16 Арефьев В H, Дианов-Клоков В И, Ослабление излучения 10,6 мкм водяным паром и роль димера// Оптика и спектроскопия, 42(5), 849-855 (1977)

17 НесмеловаЛИ, ТвороговСД, Фомин В В, Спектроскопия крыльев линий Новосибирск Наука, 1977, 141 с

18 НесмеловаЛИ, РодимоваОБ, ТвороговСД, Контур спектральной линии и межмолекулярное взаимодействие Новосибирск- Наука, 1986, 216 с

19 Ma Q and TippingRH, A far wing line shape theory and its application to the water vibrational bands II//J Chem Phys, 96(12), 8655-8663 (1992)

20 Tipping R H and Ma Q, Theory of the water vapor continuum and validations II Atmospheric research, 36, 69-94 (1995)

21 Roberts RE, SelbyJE, BibermanLM, Infrared continuum absorption by atmospheric water vapour in the 8-12-цт window // Appl Opt, 15(9), 2085-2090 (1976)

22 Thomas M E and Nordstrom R J , Line shape model for describing infrared absorption by water vapor // Appl Opt, 24, 3526-3530 (1985)

23 Фомин В В, Молекулярное поглощение в инфракрасных окнах прозрачности Новосибирск Наука 1986

24 CloughSA, Kneizys F X, DaviesRW, Line shape and water vapor continuum // Atmos Res , 23, 229-241 (1989)

25 Montgomery G P, Temperature dependence of infrared absorption by the water vapor continuum near 1200 em"1 // Appl Opt, 17(15), 2299-2303 (1978)

26 Вигасин A A, Колебательный спектр димеров воды // Изв АН СССР ФАО, 19(5), 542-545 (1983)

27 Vigasin А А , Water vapor continuous absorption in various mixtures possible role of weakly bound complexes // JQSRT, 64, 25-40 (2000)

28 Varanasi P, On the nature of the infrared spectrum of water vapor between 8 and 14 pm // JQSRT, 40, 169-175 (1988)

29 Nizkorodov S A , Ziemkiewicz M, Nesbitt D J, Overtone spectroscopy of H20 clusters in the vOH=2 manifold Infrared-ultraviolet vibrationally mediated dissociation studies // J Chem Phys , 122, 194316 (2005)

30 PerchardJ P, Anharmonicity and hydrogen bonding II - A near infrared study of water trapped in nitrogen matrix // Chem Phys , 266, 109-124 (2001)

31 Low G R, Kjaergaard H G, Calculation of OH-stretching band intensities of the water dimer and tnmer // J Chem Phys , 110, 9104-9115 (1999)

32 VaidaV, Daniel JS, Kjaergaard H G, GossLM, TuckAF, Atmospheric absorption of near infrared and visible solar radiation by the hydrogen bonded water dimer // Q J Royal Meteorol Soc , 127, 1627-1643 (2001)

33 StamnesK, TsaySC, Wiscombe W, Jayaweera К, A numerically stable algorithm for Discrete-Ordinate-Method transfer in multiply scattering and emitting layered media // Appl Opt, 27, 2502-2509 (1988)

34 ЮхневичГВ, BempoeAA, Димерные комплексы в парах воды плотностью 0 1 г/см3 //ДАН, 204 (1), 154-157 (1972)

35 Стырикович М А , ЮхневичГВ, Ветров А А , ВигасинАА, Молекулярный состав паров воды высокой плотности и некоторые их термодинамические свойства//ДАН, 210 (2), 321-323 (1973)

36 BempoeAA, Исследование коэффициентов поглощения и структуры водяного пара при высоких температурах и давлениях // Дис канд физ -мат наук М Институт высоких температур АН СССР, 1976

37 Поберовский А В, Проблемы физики атмосферы // Исследование полос поглощения водяного пара (1 38 и 1 87мкм) при повышенных давлениях и температурах Сб трудов Л Ленинградский университет, 13, 81-87 (1976)

38 Поберовский А В, Исследование ИК-спектра водяного пара большой плотности //Дис канд физ-мат наук Л ЛГУ, 1977

39 BurchDE, Absorption by Н20 in narrow windows between 3000-4200cm"1 // US Air Force Geophysics Laboratory report AFGL-TR-85-0036, Hanscom Air Force Base, Mass, 1985

40 Schofield D P, Kjaergaard H G, Calculated OH-stretching and HOH-bending vibrational transitions in the water dimer // Phys Chem Chem Phys, 5, 3100-3105 (2003)

41 Fomin В A , Effective interpolation technique for line-by-line calculations of radiation absorption on gases // JQSRT, 53, 663-669 (1995)

42 MitselAA, Firsov КM, A Fast line-by-line Method // JQSRT, 54 (3), 549-557 (1995)

43 DraisonSR, Rapid computation of the Voigt profile // JQSRT, 16 (7), 611-614 (1976)

44 Humlicek J II JQSRT, 27, 437 (1982)

45 Kuntz M, Hopfner M, Efficient line-by-hne calculation of absorption coefficient // JQSRT, 63, 97-114(1999)

46 Wells RJ, Rapid approximation to the Voigt/Faddeeva function and its derivatives // JQSRT, 62, 29-48 (1999)

47 Dudhia A , Reference forward model version 3 Software user's manual // Eur Space Technol Cent (ESTEC) Document PO-MA-OXF-GS-0003, Eur Space Agency (ESA), Paris, France (1997) (см также http //www atm ox ac uk/ RFM)

48 Фомин Б A , Исследование влияния молекулярного поглощения на лучистый теплообмен атмосферы и эталонные расчеты атмосферной радиации // Дис докт физ-мат наук М РНЦ «Курчатовский институт», 1997

49 FouquartY, Bonne! В, Ramaswamy V, Intercomparing shortwave radiation codes for climate studies//J Geophys Res , 96 (D5), 8955-8968 (1991)

50 Kurucz R L, Synthetic infrared spectra // Infrared Solar Physics, IAU Symp 154, edited by D M Rabin and J T Jeffenes, Kluwer, Acad, Norwell Massachusetts, 1992

51 Mlawer E J, Clough S A , Brown P D, Tobin D С, Recent developments in the water vapor continuum // Ninth ARM Science Team Meeting Proceedings, San Antonio, TX, March 22-26, 1999, p 1-6

52 Mlawer EJ, TobinDC, CloughSA, A new water vapor continuum model MT_CKD_1 0 // готовится к печати (программный код доступен на сайте http //rtweb aer com/continuum_ frame html)

53 Daniel JS, SolomonS, Sanders R W, PortmannRW, Miller D С, Madsen W, Implications for water monomer and dimer solar absorption for observations at Boulder, Colorado//J Geophys Res , 104 (D14), 16785-16791 (1999)

54 Hill С, Jones R, Absorption of solar radiation by water vapor in clear and cloudy skies Implications for anomalous absorption // J Geophys Res, 105 (D7), 94219428 (2000)

55 Rothman L S et al, The HITRAN molecular spectroscopic database edition of 2000 including updates through 2001 // JQSRT, 82, 5-44 (2003)

56 CurtissLA, FruripDJ, BlanderM, Studies of molecular association in H20 and D20 vapors by measurement of thermal conductivity II J Chem Phys, 71, 27032711 (1979)

57 Slanina Z, CrifoJ-F, A refined evaluation of the gas-phase water-dimerization equilibrium constant within non-rigid BJH- and MCY-type potentials // Int J Thermo-phys, 13(3), 465-476(1992)

58 SierkB, SolomonS, Daniel JS, PortmannRW, GutmanSI, LangfordAO, Eu-bankCS, DuttonEG, HolubKH, Field measurements of water vapor continuum absorption in the visible and near-infrared // J Geophys Res D, 109 (8), D08307 (2004)

59 Ландсберг Г С, Ухолин САП ДАН, 8, 388 (1937)

60 Vigasin АА, Pavlyuchko AI, Jin Y, Ikawa S, Density evolution of absorption band-shapes in the water vapor OH-stretchmg fundamental and overtone evidence for molecular aggregation//J Mol Struct, 742, 173-181 (2005)

61 ScribanoY, Goldman N, SaykallyRJ, Leforestier С, Water dimers in the atmosphere III Equilibrium constant from a flexible potential // J Phys Chem A, 110, 5411-5419(2006)

62 Macko P, RomanimD, Mikhailenko S N, Naumenko О V, Kassi S, Jenouvrier A , Tyuterev V G, Campargue A , High sensitivity CW-cavity ring down spectroscopy of water m the region of the 1 5 цш atmospheric window // J Mol Spectrosc, 227, 90-108 (2004)

Основные публикации по теме диссертации

la PaynterDJ, PtashniklV, Shine KP, Smith KM, Pure water vapour continuum measurements between 3100 and 4400 cm"1 Evidence for water dimer absorption in near atmospheric conditions II Geophys Res Lett., 2007 (принята к печати) 2a Reichert L , Andres Hernandez M D, Burrows JP, Tikhomirov А В, Firsov К M, Ptashnikl V, First CRDS-measurements of water vapour continuum in the 940 nm absorption band // JQSRT, 2006 (в печати) За Ptashnikl V, Evaluation of suitable spectral intervals for near-IR laboratory detection of water vapour continuum absorption // JQSRT, 2006 (принята к печати)

4a Ptashnik IV, Natural water dimer absorption and the water vapour continuum //

JQSRT, 2006 (принята к печати) 5a Пташник И В, Численное моделирование возможностей лабораторных измерений континуального поглощения водяного пара в ближнем ИК-диапазоне // Оптика атмосф. и океана, 19(1), 23-30 (2006) 6а Пташник И В, Капитанов В А , Пономарев Ю Н, Криволуцкий Н П, Коб-цевСМ, КаблуковСИ, Определение коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 0 900 мкм // Оптика атмосф. и океана, 19(8), 684-686 (2006)

7а Тихомиров А Б, Пташник И В, Тихомиров Б А , Измерение коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 14400 см"1 (0 694 мкм) // Оптика и спектроскопия, 101(1), 84-94 (2006) 8а Ptashnik I V, Natural water dimers absorption known and unknown experiments // CECAM meeting (приглашенный доклад) "Water Dimers and Weakly Interacting Species in Atmospheric Modelling", 25-27 April, 2005, Lyon, France, (http //www cecam fr/index php"?content=activities/pastWorkshops&wid=&action= bstractList)

9a Ptashnik I V, Smith KM, Shine KP, Self-broadened line parameters for water vapour in the spectral region 5000-5600 cm"1 // J. Mol Spectrosc, 232, 186-201 (2005)

10a Пташник И В, Димеры воды «неизвестный» эксперимент // Оптика атмосф.

и океана, 18(4), 359-362 (2005) 11а Пташник И В, Поглощение солнечной радиации водяным паром возможные

аномалии // Оптика атмосф. и океана, 17(11), 899-902 (2004) 12а Ptashnik IV, Smith KM, Shine KP, Newnham DA , Laboratory measurements of water vapour continuum absorption in spectral region 5000-5600 cm"1 Evidence for water dimers // Q. J. Royal Meteorol. Soc., 130(602), 2391-2408 (2004) 13a Smith KM, Ptashnik I V, Newnham DA , Shine KP, Absorption by water vapour in

the 1 to 2 цт region // JQSRT, 83, 735-749 (2004) 14a Пташник ИВ, ШайнКП, Влияние обновления спектроскопической информации на расчет потоков солнечной радиации в атмосфере // Оптика атмосф и океана, 16(3), 276-281 (2003) 15а Катаев МЮ, Никифорова О Ю, Пташник И В, Погрешность восстановления параметров линий из спектра поглощения Часть 3 Влияние искажения центральной части контура линии поглощения при регистрации // Оптика атмосф и океана, 17(12), 1078-1082(2004) 16а МицелъАА, Пташник И В, МиляковАВ, Оптимизация line-by-line алгоритма расчета молекулярного поглощения // Оптика атмосф. и океана, 13(12), 1137— 1141 (2000)

17а Кочанов В П, Пташник И В, Аппроксимация ширины суженного столкновениями контура линии // Оптика и спектроскопия, 89(5), 736-742 (2000) 18а FirsovKM, KataevMYu, Mitsel'AA, Ptashmkl V, ZuevVV, Sounding of atmospheric gases by differential absorption method Computer code SAGDAM-1 // JQSRT, 12(5), 434-436 (1999)

19a FirsovКМ, Mitsel'А А , Ponomarev YuN, PtashmklV, Parameterization of

transmittanee for application in atmospheric optics // JQSRT, 59,203-213 (1998) 20a Мицель A A , ПташникИВ, Фирсов К M, Фомин Б А , Эффективный метод полинейного счета пропускания поглощающей атмосферы // Оптика атмосф. и океана, 8(10), 1547-1551 (1995) 21а Zuev V V, Mitsel'А А , Kataev М Yu, Ptashmkl V, Firsov К М, Simulation of gas analysis of the atmosphere by long path method Computer Code LPM // Computers in Physics, 9(6), 649-656 (1995) 22a Kataev M Yu, Mitsel' A A , Ptashnik IV, Ponomarev YuN, Firsov KM, Computer code LARA and AIRA for simulating the atmospheric transmittanee and radiance // JQSRT, 54(3), 559-572 (1995) 23 a Катаев M Ю, Лазарев В В, Никифорова О Ю, Пташник И В, Автоматизация определения полуширины и сдвига спектральной линии поглощения из ОА-измерений // Оптика атмосф. и океана, 7(9), 1297-1300 (1994)

Печ л 2,5 Уч -изд л 3 Тираж 100 экз Заказ № 43

Тираж отпечатан в типографии ИОАСО РАН

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Пташник, Игорь Васильевич

Введение.

Глава 1. Эффективный алгоритм полинейного расчета пропускания и потоков солнечной радиации в атмосфере.

1.1. Основные формулы для полинейного расчета пропускания.

1.2. Оптимизация алгоритма полинейного расчета пропускания. а) Тестирование разных алгоритмов расчета контура Фойгта. б) Оптимизация частотной сетки. в) Предварительный отбор (селекция) линий поглощения. г) Редукция неоднородной трассы к однородной. д) Результаты моделирования.

1.3. Учет континуального поглощения водяного пара.

1.4. Расчет радиации (LBLhoa + DISORT).

1.5. Результаты тестирования программ LBLhoa и DISORT. а) Сравнение LBLhoa с RFM (Reference Forward Model, Англия). б) Сравнение LBLhoa+ DISORT с эталонными расчетами радиации.

Введение диссертация по физике, на тему "Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона"

Основное содержание и актуальность работы

Основные этапы диссертационной работы выполнялись в Институте оптики атмосферы (ИОА) СО РАН в период 1993-2006 гг. в рамках научных направлений «Спектроскопия атмосферных газов» и «Радиационные процессы в атмосфере», являющихся разделами современной атмосферной оптики и геофизики атмосферы (Гуди (1966) [1], Зуев и др. (1987, 1996) [2, 3]). Актуальность этих направлений обусловлена как широким использованием лазерных источников для мониторинга природных и техногенных сред (Зуев и др. (1970) [4]), так и процессами глобального потепления климата и возникшей в связи с этим необходимостью более точной оценки радиационного вклада в этот процесс.

Катализатором данной работы явились новые достижения в области экспериментальной спектроскопии, а также - новейшие теоретические разработки в области квантовой химии, позволяющие получать спектроскопическую информацию не только о молекулах традиционно исследуемых атмосферных газов, но и о более сложных молекулярных комплексах, в том числе - комплексах воды.

Водяной пар, несмотря на свое относительно малое парциальное содержание в земной атмосфере (0.5-4%), является наиболее важным компонентом, обусловливающим ее радиационный баланс (Гуди [1], Kiehl и Trenberth (1997) [5]). Полосы поглощения водяного пара и области между ними («крылья» полос), называемые также «окнами прозрачности» атмосферы, поглощают до 70-80% солнечного излучения падающего на атмосферу (рис. В1). Водяной пар является также одним из наиболее важных парниковых газов в атмосфере.

Атмосферный спектр водяного пара состоит из сотеп тысяч линий вращательных и колебательно-вращательных переходов, покрывающих спектральный диапазон от микроволи до ультрафиолета. Такое богатство спектра обусловлено, главным образом, двумя факторами. Во-первых, будучи асимметричным волчком, молекула воды обладает большим постоянным дипольным моментом, а также имеет три вращательных моды с существенно отличными вращательными постоянными. Это приводит к наличию сложной вращательной и колебательно-вращательной структуры и, соответственно, к богатому длинноволновому спектру. Во-вторых, из всех атмосферных газов молекула воды является единственным асимметричным волчком, который имеет на периферии только два легких атома водорода. Большая амплитуда колебаний легких водородных атомов обусловливает сильную нелинейность осцилляций в молекуле воды. Это снимает обычное для линейного осциллятора правило запрета на изменение колебательного квантового числа AV на единицу (в молекуле воды AV может достигать ±8) и делает колебательный спектр молекулы воды гораздо более широким и сложным, чем у большинства других небольших молекул атмосферных газов. Наличие только легких водородных атомов около атома кислорода означает также, что молекула воды является очень легким волчком, т.е. обладает малым моментом инерции. Это, в свою очередь, обусловливает большое расстояние между вращательными уровнями энергии и, соответственно, широкий спектральный диапазон вращательной структуры.

Огромное количество спектральных линий водяного пара и сложность спектра приводит к определенным проблемам при учете поглощения излучения в атмосфере.

Во-первых, это накладывает серьезные требования на скорость алгоритма полинейного (т.е., учитывающего все спектральные линии) расчета пропускания излучения в атмосфере, являющегося эталонным в задачах атмосферной оптики. Хотя значительный прогресс вычислительной техники за последнее десятилетие существенно облегчил решение этой проблемы, появляются новые базы данных, где количество слабых линий водяного пара исчисляется десятками миллионов. Поэтому развитие и объединение наиболее эффективных методик для создания быстрого алгоритма полинейного расчета пропускания по-прежнему является весьма актуальным и им уделяется существенное внимание в 1-й главе данной работы.

Во-вторых, несмотря на то, что в результате многолетних экспериментальных и теоретических исследований параметры сотен тысяч спектральных линий водяного пара довольно хорошо изучены сегодня (Rothman и др. (2005) [6], Partridge и Schwenke (1997, 2000) [7,8]), современные измерения периодически обнаруживают значительные систематические погрешности в знании этих параметров в тех или иных спектральных участках (Belmiloud и др. (2000) [9], Schermaul и др. (2001) [10,11]). Эти погрешности могут приводить к заметным ошибкам в расчете потоков радиации в атмосфере (Zhong и др. (2001, 2002) [12,13]). Рядом исследований было показано также, что так называемое «аномальное поглощение» в атмосфере, активно дискутируемое в течение последнего десятка лет и достигающее, согласно некоторым авторам, даже для безоблачной атмосферы 20-30% от полного поглощения солнечной радиации, часто оказывается пропорциональным содержанию водяного пара в столбе атмосферы (Wild и др. (1995) [14], Arking (1996) [15], Ramanathan и др. (1997) [16], Kato и др. (1997) [17], Arking (1999) [18], Pilewskie и др. (2000) [19]). В связи с этим можно найти большое количество работ, в которых авторы проводят оценки влияния тех или иных компонентов поглощения излучения водяным паром и неточности в знании их параметров на радиационные потоки в атмосфере (Zhong и др. (2001) [12], Learner и др. (1999) [20], Fomin и др. (2004) [21]). Анализу и обобщению этих работ, а также новым исследованиям в этом направлении, посвящена 5-я глава диссертации.

Поток солнечной радиации, Вт/(м2см"1)

-1-1-1-1--Г~ "--7—-1--Г---Г---Г--]--Т----1"-~Г

0.06 0.040.02 iAk

6000

8000

10000

Более 70% поглощения солнечной радиации в атмосфере обусловлено водяным паром.

4000

12000

14000 мкм

Оптическая толща

Рис. В1. (а) - Оптическая толща основных поглощающих атмосферных газов в ближнем ИК и видимом диапазоне (слой атмосферы 0-50 км. модель ИОА лето средних широт, UITRAN-2001 [22]). Пунктиром показан континуум водяного пара, (б) - Поток прямой солнечной радиации на верхней (штрих-пунктир) и на нижней границе атмосферы (зенитный угол солнца 0°). Спектральное разрешение при расчете 0.001 см"1.

Однако наименее изученным на сегодня компонентом поглощения излучения в водяном паре является не селективное (т.е. обусловленное центральной частью спектральных линий и рассчитываемое обычно согласно контуру Фойгта), а, так называемое, континуальное (т.е., слабо зависящее от частоты)1 поглощение или «континуум воды». Континуальное поглощение водяного пара дает до 5% вклада в поглощение солнечной радиации в атмосфере и играет огромную роль в поглощении тепловой радиации в окне прозрачности 8-12 мкм, обусловливая основной вклад в так называемый «парниковый» эффект в атмосфере Земли.

Природа континуального поглощения водяного пара активно дискутируется уже более 60 лет. Обнаруженный в 1918 г. Hettner [23] в виде слабоселективной составляющей поглощения водяного пара в окне прозрачности атмосферы 8-14 мкм, феномен континуального поглощения оставался необъясненным в течение 20 лет. В 1938 г. Elsasser [24] выдвинул предположение, что континуум воды обусловлен совокупным вкладом дальних крыльев сильных линий поглощения близлежащих полос водяного пара.

Гипотеза Elsasser [24] оставалась общепринятой до конца 70-х годов, когда была экспериментально обнаружена сильная квадратичная зависимость континуального поглощения от давления водяного пара (Bignell и др. (1963) [25]), которая не могла быть описана Лоренцевским контуром линии (получаемом в так называемом «ударном приближении» теории контура2), а также - сильная отрицательная температурная зависимость (Penner и Varanasi (1967) [26]). В связи с этим, в 1967 году Penner и Varanasi [26] (см. также Varanasi и др. (1968) [27]) выдвинули гипотезу о том, что основной вклад в континуальное поглощение в чистом водяном паре (так называемый «континуум самоуширения» или "self-continuum") обусловлен не мономерами, а димерами воды (ДВ), т.е. кластерами, состоящих из двух молекул воды, объединенных слабой водородной связью. Аналогичное предположение было сделано годом раньше Викторовой и Жевакиным (1966) [28] для микроволнового спектрального диапазона. «Димерная» модель континуума довольно легко объясняла и сильную квадратичную зависимость поглощения от давления, и отрицательную температурную зависимость континуального поглощения, обнаруженную во многих экспериментах (Varanasi и др. (1968) [27], McCoy и др. (1969) [29], Bignell (1970) [30], Burch (1970) [31], Юрганов и Дианов-Клоков (1972) [32], Арефьев и Дианов-Клоков (1977) [33]).

С тех пор началась долгая научная дискуссия между сторонниками «мопомерной» и «димерной» природы континуума воды, продолжающаяся и в настоящее время.

1 Хотя, в силу исторически сложившихся обстоятельств, континуум воды часто трактуется только как поглощение дальними крыльями линий водяного пара в окне прозрачности атмосферы, автор использует в данной работе более общее определение континуума, а именно, как разницу между полным (обычно определяемым из эксперимента) и селективным поглощением. При этом селективное поглощение задается автором в том виде, как оно определено в модели континуума CKD [59], т.е., как контур Фойгта, рассчитываемый только в пределах 25 см'1 от центра каждой линии и «привязываемый» на краях этого интервала к нулевому значению (см. также параграф 1.3).

2 Т.е. приближение мгновенных столкновений.

С одной стороны, как в России, так и зарубежем были разработаны ab-initio модели крыла линии (Творогов и др. (1977-2004) [34-37], Ма и Tipping (1992-2002) [38-41]), которые также достаточно хорошо объясняли вышеуказанные экспериментальные факты, и благодаря которым существенная роль далеких крыльев линий водяного пара в континуальном поглощении не оспаривается сегодня большинством исследователей. Был исследован также ряд полуэмпирических моделей крыла линии или континуума в целом (Roberts и др. (1976) [42], Thomas и Nordstrom (1982-1985) [43-45], Фомин (1986) [46] и т.д.), которые, однако, либо имели сильно ограниченную спектральную область применения, либо требовали введения слишком большого количества физически необоснованных параметров.

На сегодняшний день можно выделить две наиболее широко признанные модели континуума. С одной стороны это теоретический подход к проблеме контура линии Ма и Tipping [38]. Их квантово-механическая теория дальнего крыла линии, основанная па приближении бинарных столкновениях и квазистатическом подходе Rosenkrantz (1987) [47], развивается с начала 1990 г. [38-41] и используется в настоящее время в ряде работ для определения частотной и температурной зависимости коэффициента континуального поглощения водяного пара. Используя подгоняемые параметры межмолекулярного потенциала, эта теория обеспечивает, в целом, неплохое согласие с измерениями континуального поглощения в крыльях полос водяного пара в среднем и дальнем ИК диапазоне. Однако, модель Ма и Tipping систематически занижает восстанавливаемую из эксперимента величину континуума внутри полос поглощения.

Среди полуэмпирических моделей континуума, наиболее широко используемым в атмосферных приложениях, является подход Clough, Kneizys и Davies (1989) [59] (или сокращенно - 'CKD'). Данная модель, используя теорию ударного приближения VanVleck и Huber (1977) [60] для контура линии, вводит несколько подгоночных параметров, не имеющих прямого физического смысла, но обеспечивающих, в целом, неплохое согласие модели с экспериментом, и учитывающих (по мнению авторов модели) эффект длительность столкновений. В последних версиях CKD-коптинуума - CKD-2.4 (Mlawer и др. (1999) [61]) и MTCKD' (Mlawer и др. [62]), авторы дополняют физическую интерпретацию своей модели. Помимо вклада дальних крыльев линий разрешенных переходов, постулированного в первых версиях CKD модели и доминирующего в областях между полосами поглощения, был добавлен член, доминирующий в центрах полос, и учитывающий, по мнению авторов модели, континуальное поглощение вследствие переходов, индуцированных столкновениями ("collision-induced absorption").

Среди отечественных исследований, следует выделить исследования Творогова и др. [34-37]. Авторы этих работ показывают, в частности, что используемый ими полуклассический подход, избегая громоздких квантовых расчетов, приводит практически к таким же результатам, как и квазистатический подход Ма и Tipping. По мнению авторов, это

Добавленные буквы 'МТ' обозначают соавторов - Mlawer и Tobin. обусловлено тем, что детали квантовой задачи в данном случае не столь существенны, а определяющим является классическое статистическое усреднение по параметрам столкновения молекул, возникающее в обоих вариантах.

С другой стороны, с конца 70-х годов (т.е. после работ Penner и Varanasi [26, 27] и Викторовой и Жевакина [28]) ДВ неоднократно обсуждались и обсуждаются, как возможный компонент континуального поглощения (Lowder (1971) [48], Penner (1973) [49], Арефьев и др. (1977, 1981) [33, 50], Montgomery (1978) [51], Вигасин и др. (1983-2000) [5255], Varanasi (1988) [56], Devir и др. (1994) [57], Cormier и др. (2005) [58] и т.д.).

В связи со всем вышесказанным, следует отметить, однако, два важных обстоятельства.

1) Основная часть дискуссии о природе континуума водяного пара до недавнего времени ограничивалась только дальними крыльями полос поглощения, и, главным образом, - окном прозрачности атмосферы 8-12 мкм, которое играет наиболее существенную роль в радиационном балансе атмосферы, но где отсутствуют какие-либо характерные спектральные особенности континуума, которые могли бы позволить выделить возможный вклад ДВ. Ввиду большой неопределенности, имеющейся сегодня в знании величины и спектральной структуры поглощения ДВ в данном спектральном диапазоне, никому из исследователей так и не удалось строго ни доказать, ни опровергнуть вклад ДВ в континуальное поглощение. Даже наиболее распространенная полуэмпирическая модель континуума CKD, претендующая на адекватное описание континуального поглощения в диапазоне 0-20000 см'1, использует параметры спектральной линии, которые определяются из подгонки к эксперименту только в среднем и дальнем ИК диапазоне: 400-2250 см"1. Во многом это связано с очень малыми значениями континуального поглощения водяного пара в крыльях полос1, расположенных выше 3000 см"1, и обусловленными этим экспериментальными трудностями.

Измерение континуума в центрах ИК полос поглощения до недавнего времени также представлялось весьма затруднительным из-за наложения сильного селективного поглощения линиями воды и сложности достаточно точного учета их вклада. Как следствие, до 2004 г. существовало только 2 работы по измерению континуального поглощения водяного пара в лабораторных условиях в ближней ИК области спектра2: в полосе 3700 см"1 (Burch (1985) [63]), и в крыле полосы - 9466 см"1 (Fulghum и Tilleman (1991) [64]). Обе эти работы, а также появившиеся совсем недавно результаты полевых измерений Sierk и др. (2004) [184] в центрах полос 10600 и 13900 см"1, подтверждают значительную неточность в описании континуального поглощения моделью CKD в ближнем ИК диапазоне.

1 Именно в крыльях полос относительный вклад континуума (по сравнению с селективным поглощением линий) максимален, вследствие чего его легче выделить из полного поглощения.

2 При этом мы не рассматриваем ряд натурных измерений, в которых основной вклад в неселективное поглощение, по всей видимости, был обусловлен тонкодисперсным сажевым аэрозолем.

2) До недавнего времени было общепризнанным мнение, что нет ни одного прямого экспериментального доказательства наличия поглощения ДВ в атмосферных или в равновесных лабораторных условиях при комнатных температурах. Ввиду очень малого содержания ДВ в естественных условиях в атмосфере, их спектроскопические свойства, подобно другим комплексам, обычно изучались и изучаются в неравновесных (или «не газовых») условиях; например, в резко расширяющихся сверхзвуковых пучках (Page и др. (1984) [66], Coker и др. (1985) [67], Huang и Miller (1989) [68], Huisken и др. (1996) [69], Paul и др. (1997) [70], Nizkorodov и др. (2005) [71]) или в твердотельных «матрицах» при очень низких температурах (Perchard и Bouteiller (2001-2004) [72-74]). Однако, эти исследования, несмотря на всю их значимость, не могут дать информацию о возможном содержании ДВ в реальной атмосфере. Отсутствие прямых экспериментальных доказательств поглощения ДВ в равновесном водяном паре при комнатных температурах является, по-видимому, одной из причин того, что современные модели континуума основаны исключительно на теориях крыла линии (Несмелова и др. [35], Ма и Tipping [41], Mlawer и др. [61]). Две попытки прямого измерения поглощения ДВ в атмосфере, вблизи 624 и 686 нм (Daniel и др. (1999)

75]), а также в полосах поглощения водяного пара 720, 820 и 940 пм (Hill и Jones (2000)

76]), закончились неудачей. В 2003 г. в работе Pfeilsticker и др. [77] появляется первое сообщение о регистрации в атмосферных условиях (наземная трасса 18 км) поглощения димерной полосы в области 13340 см"1 (Low и Kjaergaard (1999) [78]). Выводы этой работы, однако, были подвергнуты серьезному сомнению со стороны Suhm (2004) [79], на основании того, что спектральная ширина обнаруженного пика поглощения (~ 19.5 см"1) в несколько раз меньше, чем можно ожидать для димерных полос при комнатных температурах. Кроме того, результаты работы [77] не были подтверждены лабораторными измерениями Kassi и др. (2005) [80] и повторными измерениями Pfeilsticker и др. (2005) [81], выполненными при более высоких атмосферных температурах.

С другой стороны, анализ результатов теоретических работ (Low и Kjaergaard [78], Vaida и др. (2001) [82], Schofield и Kjaergaard (2003) [83]), появившихся в последние годы, а также анализ старых работ по исследованию спектров поглощения водяного пара при высоких давлениях и температурах (Юхневич и Ветров (1972, 1975) [84, 85], Стырикович и др. (1973) [86], Ветров (1975) [87], Поберовский (1976) [88,89]), позволяет предположить, что наиболее перспективные для обнаружения полосы поглощения ДВ следует искать совсем в других спектральных интервалах, чем это было сделано в экспериментах [75-77], и в первую очередь - в центрах сильных полос поглощения водяного пара.

Все отмеченные выше обстоятельства свидетельствуют о том, что для понимания природы континуального поглощения водяного пара весьма актуальным является экспериментальное исследование континуума именно в центрах полос ближнего ИК диапазона (2500- 14000 см"1), где этот феномен менее всего изучен сегодня, и где в настоящее время существует более точная информация о спектральной структуре поглощения ДВ. Этим исследованиям посвящена основная часть диссертации (главы 2-4).

Цель и задачи исследования

Целью работы является выявление природы континуального поглощения водяного пара в центрах полос ближнего ИК диапазона и оценка влияния погрешности в совокупной спектроскопической информации по водяному пару па расчет поглощение солнечной радиации в атмосфере.

В связи с этим были решены следующие задачи:

1) Разработан эффективный алгоритм полинейного расчета поглощения излучения атмосферными газами и выполнено его объединение с программой DISORT (Stamnes и др. (1988) [161]) для расчета потоков радиации в атмосфере

2) Определены спектральные интервалы, наиболее перспективные для экспериментального восстановления слабоселективного поглощения водяного пара и, в частности, димеров воды в ближнем ИК диапазоне методами современной абсорбционной спектроскопии.

3) При использовании экспериментальных и численных методов восстановлено и исследовано континуальное и селективное поглощение водяного пара в отдельных полосах ближнего ИК диапазона.

4) Выполнен анализ совокупности известных экспериментальных работ по определению континуального поглощения водяного пара и поглощения димеров воды в центрах полос ближнего ИК диапазона.

5) Проведены массовые численные расчеты потоков радиации в атмосфере для разных исходных спектроскопических параметров, определяющих поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли водяным паром.

Методы исследования

На основе всестороннего анализа в одной вычислительной схеме объединены разные методы оптимизации полинейного расчета молекулярного поглощения излучения в газовой среде (включая многосеточный алгоритм, селекцию линий поглощения, и разработанный новый метод редукции неоднородной трассы к однородной). Созданная программа для полинейного расчета поглощения излучения (LBLhoa) объединена с программой по расчету переноса радиации в атмосфере на основе метода дискретных ординат (DISORT).

Разработана и реализована численная методика нахождения спектральных интервалов, оптимальных для измерения слабой континуальной составляющей при наличии сильного селективного поглощения. Выполнены оценки влияния погрешностей параметров спектральных линий на погрешность восстановления континуального поглощения.

Разработан и использован алгоритм восстановления параметров спектральных линий из подгонки к сложному экспериментальному спектру, включающий, в качестве дополнительного параметра подгонки, локальное неселективное поглощение.

Основные защищаемые положения

1) Предложенная методика определения спектральных областей минимума суммарной относительной ошибки, на основе учета погрешности параметров спектральных линий и ошибок эксперимента, позволяет адекватно оценивать спектральные интервалы, наиболее перспективные для экспериментальной верификации моделей слабоселективного поглощения излучения в водяном паре.

2) Определение величины континуального поглощения водяного пара с погрешностью от 40 до 7% возможно в многочисленных микроокнах прозрачности полос поглощения ближнего ИК диапазона на основе лабораторных измерений абсорбционными спектрометрами с чувствительностью по поглощению не хуже (2-5)-10"9 см"1 при использовании современной информации о параметрах спектральных линий. Основной вклад в ошибку восстановления континуума при этом обусловлен погрешностью знания интенсивностей и полуширин спектральных линий.

3) От 50 до 80% континуального поглощения излучения в чистом водяном паре ("self-continuum") в полосах 5300 и 3700 см"1 при комнатных температурах обусловлено вкладом димеров воды. При этом, часть поглощения димерами воды неявным образом входит в модель континуума CKD ввиду ее полуэмпирического характера.

4) Коэффициенты самоуширения линий водяного пара с интенсивностями в диапазоне

-у I

6x10'" - 6xl0"zl см/молек, приведенные в базе HITRAN-2004 (v. 12.0) для спектрального интервала 5000-5600 см"1, систематически завышены на 10-20%.

5) Эволюция в спектроскопической информации по водяному пару с 1994 по 2004 г., включая параметры спектральных линий, модель континуума CKD и оценку вклада димеров воды, может обуславливать изменение в расчете поглощаемой в безоблачной атмосфере солнечной радиации не более 4-5 Вт/м (среднее по глобусу).

Научная новизна

На основе численного моделирования впервые показано, что в ближнем ИК диапазоне существует большое количество микроокон прозрачности, где континуальное поглощение водяного пара может быть зарегистрировано в лабораторных условиях современными спектроскопическими методами с точностью 7-40%.

Впервые выполнена массовая экспериментальная верификация модели континуума водяного пара CKD (Clough, Kneizys, Davies) в лабораторных условиях в полосах поглощения ближнего ИК диапазона: 3200-4200, 5000-5600, 10611, 10685, 11113 и 14400 см"1. Выявлены значительные погрешности присущие данной модели в рассмотренных спектральных интервалах.

Впервые при комнатных температурах обнаружен значительный вклад димеров воды в континуальное поглощение водяного пара в центрах полос поглощения 3700 и 5300 см"' (2.7 и 1.88 мкм). Впервые из прямых измерений поглощения излучения водяным паром определена температурная зависимость константы димеризации при температурах, близких к комнатным.

Впервые выявлено хорошее согласие независимых экспериментальных данных по поглощению излучения кластерами воды при высоких давлениях (Ветров и др. (1972-1975), Поберовский (1975)) и континуумом водяного пара при низких давлениях (Burch (1985), Пташник и др. (2004), Paynter и др. (2007)) в полосах поглощения 3700 и 5300 см'1 друг с другом и с предсказанием современной модели димеров воды.

Научная ценность и практическая значимость работы

Основная научная ценность работы заключается в выявлении значительной роли димеров воды в формировании континуального поглощения водяного пара в центрах наиболее сильных полос ближнего ИК диапазона. Тем самым внесен значительный вклад в решение вопроса о природе континуального поглощения, который дискутируется в научной литературе на протяжении последних 40 лет. Полученные результаты дают основание на разработку новой современной модели континуума, учитывающей совокупный вклад как дальних крыльев линий мономера воды, так и комплексов воды.

Выполненные в работе модельные расчеты по выявлению оптимальных спектральных интервалов для измерения континуума воды и проведенные па их основе экспериментальные исследования в ближнем ИК диапазоне спектра могут быть использованы для верификации и корректировки современных моделей континуума водяного пара.

Проведенная систематизация имеющихся на сегодняшний день погрешностей параметров поглощения водяного пара в ближнем ИК диапазоне и их влияния на точность расчета потоков солнечной радиации в атмосфере могут быть полезны в задачах, связанных с оценкой радиационного баланса атмосферы.

Уточнены интенсивности и полуширины 460 линий водяного пара в базе HITRAN-2004 в области 5000-5600 см"1. Показана принципиальная важность учета локального неселективного поглощения для адекватного восстановления параметров спектральных линий при подгонке к эксперименту.

Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института оптики атмосферы СО РАН с 1993 по 2006 год, а также с 2001 по 2003 год - в Департаменте Метеорологии университета г. Ридинг (Англия) в рамках гранта NERC (NER/T/S/2000/00982, NER/T/S/2000/01020). Разные этапы работы были выполнены при поддержке грантов РФФИ № 00-07-90175-а (200-2001, исполнитель), 04-07-90123-в (2004

2007, исполнитель), 04-05-64569-а (2004, исполнитель), 04-05-64569-а (2005, руководитель), 05-05-74526-3 (2005, руководитель), а также в рамках Научной школы РИ-112/001/020 (2005).

Достоверность результатов

Достоверность основных результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается использованием современного алгоритма полинейного расчета пропускания и переноса радиации в атмосфере, неоднократно сравниваемого с расчетами других авторов (в частности, с эталонными расчетами Б.А. Фомина (РНЦ «Курчатовский институт», Москва) и полинейным кодом RFM (A. Dudhia, Англия) и т.д.); использованием постоянной тестируемой и обновляемой базы спектральных линий HITRAN с оцененной погрешностью параметров; согласием модельных расчетов и результатов экспериментов с независимыми экспериментами разных авторов, выполненных при разных температурах и давлениях водяного пара, а также с современными ab-initio моделями. Ряд выводов и результатов подтверждены более поздними исследованиями других авторов.

Апробация результатов исследований

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XI Симпозиуме и школе по спектроскопии высокого разрешения (HighRus, Москва -Нижний Новгород, 1993); Коллоквиуме "Atmospheric Spectroscopy Applications" (ASA, Reims, France, 1993); XII Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1993); I-III Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994-1996 гг.); II Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1995); XIV Коллоквиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Dijon, 1995); Европейском симпозиуме "Optics for Environmental and Public Safety", "Conference of Lidar and Atmosph. Sensing" (Munich, 1995); Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995); 14-й Международной конференции по спектроскопии высокого разрешения (Прага, 9-13 сент. 1996); Международной рабочей группе "Atmospheric Spectroscopy Application" (август 2002, Москва); XI-м и XII-м Совместном международном симпозиуме "Atmospheric and Oceaninc Optics. Atmospheric Physics" (июнь 2004 (пленарный доклад) и 2005 г. (устный доклад), Томск,); XI-й Рабочей группе "Аэрозоли Сибири" (2004, Томск); Рабочей группе СЕСАМ "Water Dimers and Weakly Interacting Species in Atmospheric Modelling" (апрель 2005, Лион, Франция (приглашенный доклад)), а также опубликованы в 23 статьях [90-112] в отечественной (13) и зарубежной (10) печати.

Вклад автора

При получении результатов настоящей работы автором внесен определяющий вклад, выраженный в постановке большинства рассматриваемых задач, разработке методов исследования, численном моделировании, планировании нескольких экспериментов, обработке экспериментальных данных и в анализе результатов исследований. Задача по оценке влияния обновления параметров линий водяного пара на расчет поглощения солнечной радиации в атмосфере была сформулирована в 2001 г. К. Shine и D. Newnham (Англия). Экспериментальная часть работы была выполнена К. Smith, D. Newnham, D. Paynter (Англия), Б.А. Тихомировым, А.Б. Тихомировым, В.А. Капитановым (ИОА СО РАН), L. Reichert, M.D., Andres Hernandez (Германия) и другими.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из 5 глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе диссертации описываются методики положенные автором в основу создания нового эффективного алгоритма полинейного расчета пропускания излучения в газовой среде, который являлся основным инструментом численного моделирования в ходе всей последующей работы. Создание этого алгоритма стало возможным благодаря объединению в одной вычислительной схеме последних достижений в разработке эффективных способов ускорения прямого счета, полученных разными авторскими коллективами. Программа включает в себя многосеточный алгоритм Б.А. Фомина, селекцию линий поглощения А.А. Мицеля и К.М Фирсова, и разработанную при участии автора новую модель редукции неоднородной трассы к эквивалентной однородной. Созданный алгоритм объединен с программой DISORT (Stamnes (1988) [161]) для расчета потоков солнечной радиации в атмосфере методом дискретных координат. В заключение главы приведены результаты тестирования созданной программы для разных спектральных интервалов и разных газов, а также, результаты сравнения с другими line-by-line программами, подтверждающие высокую эффективность нового алгоритма.

Во второй главе описана авторская методика определения спектральных интервалов, наиболее эффективных для экспериментальной верификации моделей слабоселективного поглощения излучения в водяном паре в ближнем ИК диапазоне спектра. Приводятся результаты массовых расчетов для чистого водяного пара и для водяного пара в смеси с воздухом при атмосферном давлении. Показано наличие большого количества микроокон прозрачности в ближнем ИК диапазоне, в которых модель континуума CKD [59] может быть верифицирована с приемлемой точностью современными методами абсорбционной спектроскопии. Разработанная методика используется также для определения спектральных интервалов, оптимальных для экспериментального обнаружения поглощения димеров воды (согласно модели Schofield и Kjaergaard [83]) в равновесных условиях при комнатных температурах. Рассмотрены варианты лабораторных измерений в чистом водяном паре и в смеси с воздухом, а также возможность регистрации димеров воды по прямому солнечному излучению в атмосферных условиях.

В третьей главе описаны результаты проведенных с участием автора лабораторных измерений континуального поглощения в чистом водяном паре и в смеси с воздухом в центрах отдельных полос ближнего ИК диапазона (5000-5600, 10610, 10680, 11110 и 14400 см"1). Наиболее интересные результаты касаются восстановления величины и спектральной зависимости континуального поглощения в чистом водяном паре в полосе 5000-5600 см*1. Показано, что обнаруженная в этой полосе спектральная, температурная и барометрическая зависимости континуального поглощения, определяемого в виде разницы между измеренным поглощением и расчетным поглощением мономеров воды, совпадает с современными теоретическими расчетами для димеров воды. Определена температурная зависимость константы димеризации.

В четвертой главе приведены результаты численного моделирования и анализа ряда работ, как довольно старых, так и современных, включая авторские, в которых исследовалось континуальное поглощение водяного пара в полосах ближнего ИК диапазона при разных давлениях и температурах. Показано, что результаты всех рассмотренных работ качественно и количественно хорошо согласуются друг с другом и с предсказанием современной теории димеров воды. В частности, впервые показано, что известный эксперимент Burch (1985) по измерению континуального поглощения в чистом водяном паре при комнатной температуре в полосе 3600 см"1, демонстрирует полосы поглощения димеров воды.

В пятой главе исследовано влияние погрешности в спектроскопической информации по водяному пару на точность расчета потоков солнечной радиации в атмосфере. Приведены результаты экспериментов с участием автора по определению интегральных интенсивностей полос поглощения водяного пара 5300, 7200 и 8800 см"1, и оценки возможного влияния полученных поправочных множителей на расчет поглощения солнечной радиации в безоблачной атмосфере. Рассмотрены также такие факторы, как использование разных версий базы данных HITRAN, учет слабых линий водяного пара Schwenke-Partridge, разные версии модели континуума CKD и возможный вклад поглощения димерами воды. Показано, что указанные неопределенности в расчете радиации в безоблачной атмосфере не превышают 4-5 Вт/м2, и следовательно, не могут объяснить только небольшую часть «аномального поглощения» в атмосфере, зарегистрированного в работах Arking (1996, 1999).

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Список литературы содержит 262 ссылки.

Приложение А содержит список основных обозначений и сокращений, используемых в работе.

Приложение Б содержит информацию об основных метеомоделях, используемых при расчетах в данной работе.

Приложение В содержит полученные автором результаты подгонки параметров линий водяного пара в полосе 5000-5600 см'1, которые ввиду большого размера не были включены в основной текст.

Диссертация содержит 111 рисунков и 15 таблиц. Первая цифра в нумерации таблиц, рисунков и формул означает номер главы, вторая цифра - порядковый номер в данной главе.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты и выводы.

1) На основе результатов последних измерений селективного поглощения водяного пара в полосах v+8, 2v и 2v+8 (5000-9200 см"1) в чистом водяном паре и в смеси с воздухом при атмосферном давлении показано, что средние интенсивности полос 2v (6600-7600 см"1) и 2v+8 (8400-9200 см"1), приведенные в HITRAN-2000, занижены примерно на 12%.

2) Показано, что заявленное в работе Belmiloud и др. (2000) [9] систематическое превышение интенсивностей линий водяного пара в полосе 2v+5 (8400-9200 см"1) над данными HITRAN-2000 на 38%, является сильно завышенным по сравнению с результатом, полученным в данной работе (12%).

3) Показано, что для адекватного анализа работ на тему о так называемом «аномальном поглощении» в атмосфере и возможном вкладе в этот эффект водяного пара следует различать работы в которых проводится сравнение эксперимента с прямым независимым расчетом от работ, в которых эксперимент сравнивается с расчетом, параметры которого (обычно аэрозольные или модели континуума воды) предварительно определены из подгонки к данному эксперименту.

4) Для оценки влияния неоднозначности/эволюции спектроскопической информации по водяному пару на погрешность моделирования потоков солнечной радиации в атмосфере выполнены line-by-line расчеты в спектральном интервале 2 ООО - 20 ООО см"1 (0.5-5 мкм) для разных случаев: разные версии базы данных HITRAN; разные версии модели континуума CKD; учет слабых линий Schwenke-Partridge; оценка поглощения димеров воды. Показано, что максимальное расхождение между разными расчетами потоков солнечной радиации вследствие рассмотренных факторов может достигать ~5 Вт/м (среднее по глобусу), что составляет -2.5% от величины нисходящего потока радиации у поверхности земли или ~ 6.5 % от величины полного поглощения солнечной радиации в атмосфере.

Заключение

В заключение резюмируем наиболее важные результаты работы.

1) В результате объединения в одной вычислительной схеме последних достижений в разработке методов ускорения полинейного счета создан новый эффективный алгоритм полинейного расчета пропускания газовой атмосферы, являющийся на сегодняшний день одним из самых быстрых из известных в литературе.

2) Предложена численная методика и на ее основе впервые показано наличие большого количества микроокон прозрачности в ближнем ИК диапазоне, в которых континуальное поглощение водяного пара может быть восстановлено методами современной абсорбционной спектроскопии с точностью 7-40%.

3) Впервые проведена массовая верификация модели континуума CKD в полосах поглощения ближнего ИК диапазона (3700, 5300, 10600, 11100 и 14400 см'1) и показано значительная степень погрешности, присущая этой модели.

4) Впервые обнаружен значительный (более 50-70%) вклад димеров воды в континуум водяного пара в центрах полос 3700 и 5300 см'1 при комнатных температурах. Показано хорошее согласие с результатами независимого эксперимента Burch (1985) и измерениями Ветрова и др. (1975) и Поберовского (1976) при высоких давлениях и температурах водяного пара.

5) Впервые получены факты, свидетельствующие, что часть поглощения димеров воды неявным образом входит в современную модель континуума CKD.

6) Впервые из прямых измерений поглощения излучения водяным паром определена температурная зависимость константы димеризации при температурах близких к комнатным.

7) В результате подгонки к экспериментальным спектрам определены интенсивности и коэффициенты самоуширения 460 линий водяного пара в области 5000-5600 см'1. Показано, что коэффициенты самоуширения линий воды с иптенсивностями в диапазоне 6-10"22-6-10"21 см/молек, приведенные в базе HITRAN-2004 (v. 12.0) для данного спектрального интервала, являются завышенными на 5-20%.

8) На основе численного моделирования определены спектральные интервалы, перспективные для обнаружения поглощения излучения димерами воды в лабораторных и атмосферных условиях в ближнем ИК диапазоне спектра.

9) Рассмотрено влияние разных погрешностей в знании исходных спектроскопических параметров водяного пара (включая разные версии базы данных HITRAN, разные версии модели континуума CKD, влияние «слабых линий» Швенке-Партриджа и влияние димеров воды) на расчет потоков солнечной радиации в атмосфере. Показано, что эволюция этих параметров с 1994 по 2004 г. может обуславливать изменение в расчете поглощаемой в безоблачной атмосфере солнечной радиации не более 4-5 Вт/м2 (среднее по глобусу).

Автор выражает большую признательность Кейсу Шайну (Keith P. Shine, Department of Meteorology, Univeristy of Reading, Англия), Борису Алексеевичу Фомину (РНЦ «Курчатовский институт», Москва), научному консультанту Константину Михайловичу Фирсову (ИОА СО РАН), Андрею Алексеевичу Вигасину (ИОФАН, Москва), Кевину Смиту (Kevin М. Smith, Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, Англия) за сотрудничество, плодотворные дискуссии, полезные рекомендации и консультации на разных этапах диссертационной работы. Автор очень признателен Анатолию Васильевичу Поберовскому (Государственный университет г. Санкт-Петербурга) за предоставление материалов своей кандидатской диссертации для ознакомления и цитирования, и за полезные рекомендации.

Автор признателен коллегам своего института Пономареву Ю.Н., Капитаиову В.А., Науменко О.В., Быкову А.Д., Ташкуиу С.А., Творогову С.Д., Тихомирову А.Б., Тихомирову Б.А. и многим другим, а также зарубежным коллегам Н. Kjaergaard, Е. Mlawer, S. Casanova, S. Fally, К. Pfeilsticker, D. Ncwnham, K. Leforestier, R. Tipping, A. Dudhia, D. Paynter и др. за приятное сотрудничество и полезные рекомендации.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Пташник, Игорь Васильевич, Томск

1. Гуди P.M., Атмосферная радиация. М.: Мир, 1966. 522 с.

2. Зуев В.Е., Макушкин Ю.С., Пономарев Ю.Н., Спектроскопия атмосферы (Современные проблемы атмосферной оптики. Том 3.) Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 248 с.

3. Зуев В.Е, Титов Г.А., Оптика атмосферы и климат (Современные проблемы атмосферной оптики. Том 9) Л.: Гидрометеоиздат, 1996, 272 с.

4. Зуев В.Е., Распространение видимого и инфракрасного излучения в атмосфере. М.: Советское радио, 1970.496 с.

5. Kiehl J. Т. and Trenberth К. Е., Earth's Annual Global Mean Energy Budget // Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, 197-208 (1997).

6. Partridge H., Schwenke D.W., The determination of an accurate isotope potential energy surface for water from extensive ab-initio calculation and experimental data // J. Chem. Phys., 106,4618-4639(1997).

7. Zhong W., Haigh J.D., Belmiloud D., Schermaul R., Tennyson J., The impact of new water vapour spectral line parameters on the calculation of atmospheric absorption // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 127,1615-1626 (2001).

8. Zhong W., Haigh J.D., Belmiloud D., Schermaul R., Tennyson J., Note on "The impact of new water vapor spectral line parameters on the calculation of atmospheric absorption" // J. R. Meteorol. Soc., 128, 1387-1388 (2002).

9. Wild M., Ohmura A., Gilden H., Roeckner E., Validation of general circulation model radiative fluxes using surface observations // J. Climate, 8,1309-1324 (1995).

10. Arking A., Absorption of solar energy in the atmosphere: discrepancy between model and observations // Science, 273, 779-782 (1996).

11. Ramanathan V. and Vogelmann A.M., Greenhouse effect, atmospheric solar absorption and the Earth's radiation budget: From Arrhenius-Langley era to the 1990s // Ambio, 26, 38-46 (1997).

12. Kato S., Ackerman T.P., Clothiaux E.E., Mather J.H., Mace G.G., Wesley M.L., Murcray F., Michalsky J., Uncertainties in modelled and measured clear-sky surface shortwave irradiances // J. Geophys. Res. D, 102 (22), 25881-25898 (1997).

13. Arking A. Bringing climate models into agreement with observations of atmospheric absorption//J. Climate, 12, 1589-1600 (1999).

14. Pilewskie P., Rabbette M., Bergstrom R., Marquez J., Schmid В., Russell P.B. The discrepancy between measured and modelled downwelling solar irradiance at the ground: Dependence on water vapor // Geophys. Res. Lett., 27 (1), 137-140 (2000).

15. Learner R.C.M., Zhong W., Haigh J.D., Belmiloud D., Clarke J. The contribution of unknown weak water vapor lines to the absorption of solar radiation // Geophys. Res. Lett., 26 (24), 3609-3612 (1999).

16. Fomin B.A., Udalova T.A., Zhitnitskii E.A. Evolution of spectroscopic information over the last decade and its effect on line-by-line calculations for validation of radiation codes for climate models // JQSRT, 86, 73-85 (2004).

17. Hettner G., Infra-red absorption spectrum of water-vapour // Ann. Phys., 55,476-496 (1918).

18. Elsasser W.M., Mean Absorption and Equivalent Absorption Coefficient of a Band Spectrum //Phys. Rev., 54, 126-129 (1938).

19. Bignell K., Saiedy F., Sheppard P.A., On the atmospheric infrared continuum // JOSA, 53 (4), 466-479(1963).

20. Penner S.S., Varanasi P., Spectral absorption coefficient in the pure rotational spectrum of water vapor // JQSRT, 7, 687-690 (1967).

21. Varanasi P., Chou S., Penner S.S., Absorption coefficients for water vapor in the 600-1000 cm"1 region//JQSRT, 8,1537-1541 (1968).

22. Викторова A.A., Жевакин C.A., Димеры воды и их спектр // ДАН СССР, 171 (4), 833 (1966).

23. Mc Coy J., Rensch D.B., Long R.K., Water vapor continuum absorption of carbon dioxide laser radiation near 10 pm// Appl. Opt., 8(7), 1471-1478 (1969).

24. Bignell K.J., The water-vapour infrared continuum // Q. J. Royal. Meteorol. Soc., 96 (409), 390-403 (1970).

25. Burch D.E., Investigation of the Absorption of Infrared Radiation by Atmospheric Gases // Semi-Annual Technical Report. Philco-Ford Corporation, Aeronutronic Division, Newport Beach, С A, Rept. U-4784, 1970.

26. Юрганов JI.H., Дианов-Клоков В.И., О зависимости диффузного ослабления в окне прозрачности 8-13 мкм от влажности // Известия АН СССР, Сер. ФАО, 8 (3), 327-332 (1972).

27. Арефьев В.Н., Дианов-Клоков В.И., Ослабление излучения 10,6 мкм водяным паром и роль димера// Оптика и спектроскопия, 42 (5), 849-855 (1977).

28. Несмелова Л.И., Творогов С.Д., Фомин В.В., Спектроскопия крыльев линий. Новосибирск: Наука, 1977, 141 с.

29. Несмелова Л.И., Родимова О.Б., Творогов С.Д. Контур спектральной линии и межмолекулярное взаимодействие. Новосибирск: Наука, 1986,216 с.

30. Tvorogov S.D., Rodimova О.В. Kinetic equation in the line shape theory // ASA Reims 93, Workshop Proc., A.Barbe and L. Rothman eds., 1993,109-112.

31. Ма Q. and Tipping R.H. A far wing line shape theory and its application to the water vibrational bands. II // J. Chem. Phys., 96 (12), 8655-8663 (1992).

32. Tipping R.H. and Ma Q., Theory of the water vapor continuum and validations // Atmospheric research, 36, 69-94 (1995).

33. Ma Q. and Tipping R.H., The average density matrix in the coordinate representation: Application to the calculation of far-wing line shapes for H2O // J. Chem. Phys., Ill (13), 5909-5921 (1999).

34. Ma Q. and Tipping R.H., The frequency detuning correction and the asymmetry of line shapes: The far wings of H20-H20 // J. Chem. Phys., 116 (10), 4102-4115 (2002).

35. Roberts R.E., Selby J.E., Biberman L.M., Infrared continuum absorption by atmospheric water vapour in the 8-12-pm window // Appl. Opt., 15 (9), 2085-2090 (1976).

36. Thomas M.E. and Nordstrom R.J., The ^-broadened water vapor absorption line shape and infrared continuum absorption -1. Theoretical development // JQSRT, 28, 81-101 (1982).

37. Thomas M.E. and Nordstrom R.J., The ^-broadened water vapor absorption line shape and infrared continuum absorption II. Implementation of the line shape // JQSRT, 28, 103-112 (1982).

38. Thomas M.E. and Nordstrom R.J., Line shape model for describing infrared absorption by water vapor // Appl. Opt., 24, 3526-3530 (1985).

39. Фомин B.B. Молекулярное поглощение в инфракрасных окнах прозрачности. Изд. «Наука». Новосибирск. 1986.

40. Rosenkrantz P.W., Pressure broadening of rotational bands. I. A statistical theory // J. Chem. Phys., 83 (12), 6139-6144 (1985); Pressure broadening of rotational bands. II. Water vapor from 300 to 1100 cm"1 // J. Chem. Phys., 87 (1), 163-167 (1987).

41. Lowder J.E., Increase of integrated intensities of H2O infrared bands produced by hydrogen bonding //JQSRT, 11,153-159(1971).

42. Penner S.S., Effect of dimerisation on the transmission of water vapor in the near-infrared // JQSRT, 13,383-384 (1973).

43. Dianov-Klokov V.I., Ivanov V.M., Arefev V.N., Sizov N.I., Water vapour continuum absorption at 8-13 mm//JQSRT, 25, 83-92 (1981).

44. Montgomery G.P., Temperature dependence of infrared absorption by the water vapor continuum near 1200 cm"1 //Appl. Opt., 17(15), 2299-2303 (1978).

45. Вигасин A.A., Колебательный спектр димеров воды // Изв. АН СССР ФАО, 19 (5), 542-545 (1983).

46. Вигасин А.А., Членова Г.В., Спектр димеров воды в области длин волн > 8 мкм и ослабление излучения в атмосфере // Изв. АН СССР ФАО, 20 (7), 657-661 (1984).

47. Вигасин А.А., Слабосвязанные молекулярные комплексы в атмосфере // Оптика атмосферы, 2 (10), 1069-1088 (1989).

48. Vigasin А.А., Water vapor continuous absorption in various mixtures: possible role of weakly bound complexes // JQSRT, 64, 25-40 (2000).

49. Varanasi P., On the nature of the infrared spectrum of water vapor between 8 and 14 pm // JQSRT, 40,169-175(1988).

50. Devir A.D., Neumann M., Lipson S.G., Oppenheim U.P., Water vapor continuum in the 15-to 25-pm spectral region: evidence for (НгО)2 in the atmosphere // Optical Engineering, 33, 746-750 (1994).

51. Cormier J.G., Hodges J.T., Drummond J.R., Infrared water vapor continuum absorption at atmospheric temperatures // J. Chem. Phys., 122 (11), 114309 (2005).

52. Clough S.A., Kneizys F.X., Davies R.W., Line shape and water vapor continuum // Atmos. .Res., 23, 229-241 (1989).

53. Van Vleck J.H. and Huber D.L., Absorption, emission and linebreadths: a semihistorical perspective // Rev. Mod. Phys., 49,939 (1977).

54. Mlawer E.J., Clough S.A., Brown P.D., Tobin D.C., Recent developments in the water vapor continuum // Ninth ARM Science Team Meeting Proceedings, San Antonio, TX, March 2226, 1999, p. 1-6.

55. Mlawer E.J., Tobin D.C., Clough S.A., A new water vapor continuum model: MTCKD1.0 // готовится к печати (программный код доступен на сайте http://rtweb.aer.com/ continuum frame.html).

56. Burch D.E., Absorption by H2O in narrow windows between 3000-4200 cm"1 // US Air Force Geophysics Laboratoiy report. AFGL-TR-85-0036, Hanscom Air Force Base, Mass., 1985.

57. Fulghum S.F. and Tilleman M.M., Interferometric calirometer for the measurement of water-vapor absorption // J. Opt. Soc. Amer., B8, 2401-2413 (1991).

58. Sierk В., Solomon S., Daniel J.S., Portmann R.W., Gutman S.I., Langford A.O., Eubank C.S., Dutton E.G., Holub K.H., Field measurements of water vapor continuum absorption in the visible and near-infrared // J. Geophys. Res., 109 (D8), D08307 (2004).

59. Page R.H., Frey J.G., Shen Y.R., Lee Y.T., Infrared predissociation spectra of water dimer in a supersonic molecular beam // Chem. Phys. Lett., 106 (5), 373-376 (1984).

60. Coker D.F., Miller R.E., Watts R.O., The infrared predissociation spectra of water clusters // J. Chem. Phys., 82 (8), 3554-3562 (1985).

61. Huang Z.S., Miller R.E., High-resolution near infrared spectroscopy of water dimer // J. Chem. Phys., 91, 6613-6631 (1989).

62. Huisken F., Kaloudis M., Kulcke A., Infrared spectroscopy of small size-selected water clusters //J. Chem. Phys., 104, 17-25 (1996).

63. Paul J.B., Collier C.P., Saykally R.J., Scherer J.J., O'Keefe A., Direct measurement of water cluster concentration by infrared cavity ringdown laser absorption spectroscopy // J. Phys. Chem. A, 101,5211-5214(1997).

64. Nizkorodov S.A., Ziemkiewicz M., Nesbitt D.J., Overtone spectroscopy of H20 clusters in the vOH=2 manifold: Infrared-ultraviolet vibrationally mediated dissociation studies // J. Chem. Phys., 122,194316 (2005).

65. Perchard J.P., Anharmonicity and hydrogen bonding. II A near infrared study of water trapped in nitrogen matrix // Chem. Phys., 266, 109-124 (2001).

66. Perchard J.P., Anharmonicity and hydrogen bonding. III. Analysis of the near infrared spectrum of water trapped in argon matrix // Chem. Phys., 273, 217-233 (2001).

67. Bouteiller Y., Perchard J.P., The vibrational spectrum of (НгО^: comparison between anharmonic ab initio calculations and neon matrix infrared data between 9000 and 90 cm"1 // Chem. Phys., 305 (1-3), 1-12 (2004).

68. Daniel J.S., Solomon S., Sanders R.W., Portmann R.W., Miller D.C., Madsen W„ Implications for water monomer and dimer solar absorption for observations at Boulder, Colorado //J. Geophys. Res., 104 (D14), 16785-16791 (1999).

69. Hill C., Jones R., Absorption of solar radiation by water vapor in clear and cloudy skies: Implications for anomalous absorption // J. Geophys. Res., 105 (D7), 9421-9428 (2000).

70. Pfeilsticker K., Lotter A., Peters C., Bosch H., Atmospheric detection of water dimers via near-infrared absorption // Science, 300, 2078-2080 (2003).

71. Low G.R., Kjaergaard H.G., Calculation of OH-stretching band intensities of the water dimer and trimer // J. Chem. Phys., 110,9104-9115 (1999).

72. Suhm M.A., How Broad Are Water Dimer Bands? // Science (Letter to the Editor), 304, 823 (2004).

73. Kassi S., Macko P., Naumenko O., Campargue A., The absorption spectrum of water near 750 nm by CW-CRDS: contribution to the search of water dimer absorption // Phys. Chem. Chem. Phys., 7,2460-2467 (2005).

74. Pfeilsticker K., Lotter A., Peters C., Bosch H., Atmospheric field measurements for the detection water dimer (НгО)г // CECAM meeting "Water Dimers and Weakly Interacting Species in Atmospheric Modelling". Lyon, France, April, 2005.

75. Vaida V., Daniel J.S., Kjaergaard H.G., Goss L.M., Tuck A.F., Atmospheric absorption of near infrared and visible solar radiation by the hydrogen bonded water dimer // Q. J. Royal. Meteorol. Soc., 127, 1627-1643 (2001).

76. Schofield D.P., Kjaergaard H.G., Calculated OH-stretching and HOH-bending vibrational transitions in the water dimer// Phys. Chem. Chem. Phys., 5, 3100-3105 (2003).

77. Юхневич Г.В., Ветров A.A., Димерные комплексы в парах воды плотностью 0.1 г/см3 //ДАН, 204(1), 154-157(1972).

78. Vetrov A.A., Yukhnevich G.V., Some optical properties of high-density water vapors // Opt. Spectrosc., 39 (3), 273-275 (1975).

79. Стырикович M.A., Юхневич Г.В., Ветров A.A., Вигасин А.А. Молекулярный состав паров воды высокой плотности и некоторые их термодинамические свойства // ДАН, 210 (2), 321-323 (1973).

80. Ветров А.А., Исследование коэффициентов поглощения и структуры водяного пара при высоких температурах и давлениях // Дисс. канд. физ.-мат. наук, Институт высоких температур АН СССР, Москва, 1976.

81. Поберовский А.В., Исследование полос поглощения водяного пара (1.38 и 1.87 мкм) при повышенных давлениях и температурах // Сб. трудов: Проблемы физики атмосферы. Ленинградский университет, 13, 81-87 (1976).

82. Поберовский А.В., "Исследование ИК спектра водяного пара большой плотности". Кандидатская диссертация физ.-мат. Наук, Ленинград, ЛГУ, 1977.

83. Катаев М.Ю., Лазарев В.В., Никифорова О.Ю., Пташник И.В. Автоматизация определения полуширины и сдвига спектральной линии поглощения из ОА-измерений // Оптика атмосферы и океана, 7(9), 1297-1300 (1994).

84. Мицель А.А., Пташник И.В., Фирсов К.М., Фомин Б.А. Эффективный метод полинейного счета пропускания поглощающей атмосферы // Оптика атмосферы и океана, 8(10), 1547-1551 (1995).

85. Kataev M.Yu., Mitsel' А.А., Ptashnik I.V., Ponomarev Yu.N., Firsov K.M. Computer code LARA and AIRA for simulating the atmospheric transmittance and radiance // JQSRT, 54(3), 559-572 (1995).

86. ZuevV.V., Mitsel'A.A., Kataev M.Yu., Ptashnik I.V., Firsov K.M., Simulation of gas analysis of the atmosphere by long path method: Computer Code LPM // Computers in Physics, 9 (6), 649-656 (1995).

87. Firsov K.M., Mitsel' A.A., Ponomarev Yu.N., Ptashnik I.V. Parameterization of transmittance for application in atmospheric optics // JQSRT, 59, 203-213 (1998).

88. Firsov K.M., Kataev M.Yu, Mitsel' A.A., Ptashnik I.V., Zuev V.V. Sounding of atmospheric gases by differential absorption method: Computer code SAGDAM-1 // JQSRT, 12 (5), 434-436(1999).

89. Мицель A.A., Пташник И.В., Миляков А.В. Оптимизация line-by-line алгоритма расчета молекулярного поглощения // Оптика атмосферы и океана, 13 (12), 1137-1141 (2000).

90. Кочанов В.П., Пташник И.В. Аппроксимация ширины суженного столкновениями контура линии // Оптика и спектроскопия, 89 (5), 736-742 (2000).

91. Пташник И.В., Шайн К.П., Влияние обновления спектроскопической информации на расчет потоков солнечной радиации в атмосфере // Оптика атмосферы и океана, 16 (3), 276-281 (2003).

92. Пташник И.В. Поглощение солнечной радиации водяным паром: возможные аномалии // Оптика атмосферы и океана, 17 (11), 899-902 (2004).

93. Smith К.М., Ptashnik I.V., Newnham D.A., Shine K.P., Absorption by water vapour in the 1 to 2 pm region // JQSRT, 83, 735-749 (2004).

94. Ptashnik I.V., Smith K.M., Shine K.P., Newnham D.A., Laboratory measurements of water vapour continuum absorption in spectral region 5000-5600 cm"1: Evidence for water dimers // Q. J. Royal. Meteorol. Soc., 130 (602), 2391-2408 (2004).

95. Ptashnik I.V., Smith К.М., Shine К.Р., Self-broadened line parameters for water vapour in the spectral region 5000-5600 cm"1 //J. Mol. Spectrosc., 232, 186-201 (2005).

96. Пташник И.В., Димеры воды: «неизвестный» эксперимент // Оптика атмосферы и океана, 18 (4), 359-362 (2005).

97. Пташник И.В., Численное моделирование возможностей лабораторных измерений континуального поглощения водяного пара в ближнем ИК диапазоне // Оптика атмосферы и океана, 19 (1), 23-30 (2006).

98. Тихомиров А.Б., Пташник И.В., Тихомиров Б.А., Измерение коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 14400 см"1 (0.694 мкм) // Оптика и спектроскопия, 101 (1), 84-94 (2006).

99. Тихомиров А.Б., Тихомиров Б.А., Пташник И.В. Влияние аппаратной функции OA спектрометра на точность определения величины коэффициента континуального поглощения Н2О в области 14400 см"1 // Оптика атм. и океана, 19 (4), 291-293 (2006).

100. Пташник И.В., Капитанов В.А., Пономарев Ю.Н., Криволуцкий Н.П., Кобцев С.М., Каблуков С.И., Определение коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 0.900 мкм // Оптика атм. и океана, 19 (8), 684-686 (2006).

101. Ptashnik I.V., Natural water dimer absorption and the water vapour continuum // JQSRT, 2006, принята к печати.

102. Ptashnik I.V., Evaluation of suitable spectral intervals for near-IR laboratory detection of water vapour continuum absorption // JQSRT, 2006, принята к печати.

103. Reichert L., Andres Hernandez M.D., Burrows J.P., Tikhomirov A.B., Firsov K.M., Ptashnik I. V., First CRDS-measurements of water vapour continuum in the 940 nm absorption band // JQSRT, 2006, в печати.

104. Paynter D.J., Ptashnik I.V., Shine K.P., Smith K.M., Pure water vapour continuum measurements between 3100 and 4400 cm'1: Evidence for water dimer absorption in near atmospheric conditions // Geophys. Res. Lett., 2007, принята к печати.

105. Kataev M.Yu., Mitsel' A.A., Ptashnik I.V., Ponomarev Yu.N., Firsov K.M. LARA/AIRA -Atmospheric Transmittance and Radiance Dialogue Computer codes: Current Status //

106. HighRus-93, XI Symposium and School on high Res. Spectroscopy, Moscow-Niznii Novgorod, 1993.

107. Мицель А.А., Пташник И.В., Троценко А.Н., Фирсов К.М. Фомин Б.А Сравнение приближенных и точных методов расчета атмосферной радиации //

108. Межреспубликанский Симпозиум «Оптика атмосферы и океана», Томск, июнь 1994, Тезисы докл., 1 стр.

109. Мицель А.А., Пташник И.В., Фирсов К.М., Фомин Б.А. Эффективный метод полинейного счета пропускания и радиации поглощающей атмосферы //

110. Межреспубликанский Симпозиум "Оптика атмосферы и океана", Томск, (июнь 1995), Тезисы докл., с. 31-32.

111. Firsov К.М., Kataev M.Yu. Mitsel' A.A., Ponomarev Yu.N. Fast computer codes based on line-by-line method for application in atmospheric optics // XIV Colloq. on High Resolution Molecul. Spectroscopy, Dijon, France 1995.

112. K.M.Firsov, B.A.Fomin, A.A.Mitsel', New Fast Line-by-line Package. Basic Principals // The 14-th International Conference on High Resolution Molecular Spectroscopy, Prague, Sept. 9-13, 1996, Czech Republic.

113. Пташник И.В., Миляков A.B., Мицель A.A. Развитие метода полинейного счета // VII Международный симпозиум по оптике атмосферы и океана, Тез. докл., г. Томск, 2000.

114. Atmospheric Physics". Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2004. A1-20. p.51-52.

115. ПташникИ.В., Тихомиров А.Б., Тихомиров Б.А., ФирсовК.М., Измерения коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 0.69 мкм // Аэрозоли Сибири. XI Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы. 2004. С.61.

116. Ptashnik I.V., Natural water dimers absorption: known and "unknown" experiments // XII Joint International Symposium "Atmospheric and Oceanic Optics. Atmospheric Physics", 2730 June, 2005, Tomsk, A-02, p. 43-44 (устный доклад).

117. Scot N. A., Shedin A.A. A fast line-by-line method for atmospheric absorption computations: The automatized atmospheric absorption atlas. // J. Appl. Meteor., 20 (7), 802-812 (1981).

118. Oinas V., A new method for the rapid calculation of infrared transmittances of atmospheric gases // JQSRT, 26 (4), 381-383 (1981).

119. Oinas V., Rapid transmittance integration using line blending and a straight-line fit to line shapes // JQSRT, 29 (5), 407-411 (1983).

120. Report on the ITRA, International Radiation Commission Working Group on Remote Sensing / Edited by A.Chedin, H.Fisher, K.Kunzi, D.Spaukuch, N.A.Scott. University of Maryland. 1988.

121. Edwards D.P., IAMAP 89, 5th Scientific Assembly of the International Association of Meteorology and Atmospheric Physics. Brief review papers and abstract, 1989, P. TR-8-TR-12.

122. Fomin B.A., Romanov S.V., Trotsenko A.N., Use of spectroscopic data compilation atlases in numerical methods of radiation transfer description in the absorbing and scattering atmosphere // Proc. SPIE., 1811, 354-358 (1991).

123. МицельА.А., Современные компьютерные модели пропускания и радиации атмосферы в ИК-диапазоне спектра. // Оптика атмосферы и океана, 7 (3), 384-402 (1994).

124. Мицель А.А., Фирсов К.М., Эффективный метод прямого счета молекулярного поглощения // Оптика атмосферы и океана, 7 (10), 1437-1440 (1994).

125. Mitsel A.A., Firsov К.М., A Fast Line-by-Line Method // JQSRT, 54 (3), 549-557 (1995).

126. Fomin В.A., Effective line-by-line technique to compute radiation absorption in gases // Preprint IAE-5658/1. Moscow. Russian Research Center "Kurchatov Institute". 1993. 13p.

127. Фомин Б.А., Троценко A.H., Романов С.В. Эффективные методы расчета оптических свойств газообразных сред. // Оптика атмосферы и океана, 7 (11-12), 1457-1462 (1994).

128. Fomin В.А., Effective interpolation technique for line-by-line calculations of radiation absorption on gases // JQSRT, 53, 663-669 (1995).

129. Мицель А.А., Фирсов K.M., Фомин Б.А., Перенос оптического излучения в молекулярной атмосфере. Томск: STT, 2000,444 с.

130. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь, 1981,288 с.

131. Jacquinet-Husson, N., Arie, Е., Ballard, J., Barbe, A., Brown, L.R., Bonnet, В., Camy-Peyret,

132. Draison S.R., Rapid computation of the Voigt profile // JQSRT, 16 (7), 611-614 (1976).

133. Humlicek J. // JQSRT, 27, 437 (1982).

134. Kuntz M., Hopfner M., Efficient line-by-line calculation of absorption coefficient // JQSRT, 63, 97-114(1999).

135. Wells R.J., Rapid approximation to the Voigt/Faddeeva function and its derivatives // JQSRT, 62, 29-48(1999).

136. Schreier F., The Voigt and complex error function: a comparison of computational methods // JQSRT, 48 (5/6), 743-762 (1992).

137. Smith H.J.P., Dube D.J., Gardner M.E., Clough S.A., Kneizys F.X. and Rothman L.S., FASCOD Fast Atmospheric Signature Code (Spectrum Transmittance and Radiance) // AFGL-TR-78-0081 (1978).

138. Clough S.A., Kneizys F.X., Rothman L.S., and Gallery W.O. Atmospheric spectral transmittance and radiance: FASCOD IB. // Proc. of SPIE, 227 (1981).

139. Anderson G.P., Kneizys F.X., Chetwynd J.H., Abreu L.M., Hoke M., Clough S.A., Worsham R.D. and Shettle E.P. FASCOD 3: An Update. // Proc. 14th Annual Review Conf. Atmospheric Transmission Models, pp.73-85, Hanscon AFB, MA 01731-5000. 1991.

140. Матвеев B.C., Приближенное описание коэффициента поглощения и ширины спектральной линии для контура Фойгта. // Журн. прикл. Спектроскопии, 16 (вып.2), 228 (1972).

141. Dowling J.A., Gallery W.O., and O'Brien S.G., Analysis of Atmospheric Interferometer Data //AFGL-TR-84-0177, AFGL (OPT), Hanscom AFB, MA 01731 (1984).

142. Clough S.A, M.J. Iacono and J.-L. Moncet, Line-by-line calculation of atmospheric fluxes and cooling rates: Application to water vapor // J. Geophys. Res., 97D, 15761-15785 (1992).

143. Burch D.E., Continuum absorption by H2O // Air Force Geophysics Laboratory Report, AFGL-TR-81-0300, Hanscom AFB, MA, 1981.

144. Tobin D.C., Strow L.L., Lafferty W.J., Olson W.B., Experimental investigation of the self-and N2-broadened continuum within the band of water vapor // Appl. Opt., 35 (24), 4724-4734(1996).

145. Stamnes K., Tsay S.C., Wiscombe W., Jayaweera K., A numerically stable algorithm for Discrete-Ordinate-Method transfer in multiply scattering and emitting layered media // Appl. Opt., 27, 2502-2509(1988).

146. Thomas G.E., Stamnes K. Radiative transfer in the atmosphere and ocean. Cambridge Univ. Press, 1999.

147. Ленобль Ж. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

148. Dudhia A., Reference forward model version 3: Software user's manual // Eur. Space Techno 1. Cent. (ESTEC) Document PO-MA-OXF-GS-0003, Eur. Space Agency (ESA), Paris, France (1997).

149. Edwards D.P., GENLN2: A general line-by-line atmospheric transmittance and radiance model. Version 3.0 description and users guide // NCAR Technical note NCAR/TN-367+STR, National Center for Atmospheric Research, Boulder, Co., USA (1992).

150. Фомин Б.А., Диссертация докт. физ-мат. наук, "Исследование влияния молекулярного поглощения на лучистый теплообмен атмосферы и эталонные расчеты атмосферной радиации", РНЦ «Курчатовский институт», Москва, 1997.

151. Марчук Г.И., Михайлов Г.А., Назаралиев М. А., Дарбинян Р.А., Каргин Б.А., Елепов Б.С. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. // Новосибирск: Наука. 1976. С.283.

152. Fouquart Y., Bonnel В., Ramaswamy V., Intercomparing shortwave radiation codes for climate studies // J. Geophys. Res., 96 (D5), 8955-8968 (1991).

153. McClatchey R.A., R.W. Fenn, J.E.A. Selby, F.E. Volz, and J.S. Garing, Optical properties of the atmosphere // Rep. AFCRL-71-0279: Air Force Cambridge Res.Lab. 1971.Bedford. Mass. p. 85.

154. Kurucz R.L., Synthetic infrared spectra // Infrared Solar Physics, IAU Symp. 154, edited by D.M. Rabin and J.T. Jefferies, Kluwer, Acad., Norwell Massachusetts, 1992.

155. Fontenla, J., 0. R. White, P. A. Fox, E. H. Avertt, R. L. Kurucz, Calculation of solar irradiances. I. Systhesis of the solar spectrum // Astrophys. J., 518,480-500 (1999).

156. Kneizys F.X., Shettle E.P., Abreu L.W., Chettwynd J.H., Anderson G.P., Gallery W.O., Selby J.E.A., Clough S.A. Users Guide to LOWTRAN-7 // Rep. AFGL-TR-88-0177. Air Force Geophys. Lab.: Hanscom.Mass. USA. 1988. pp.137.

157. World Climate Research Program. A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation.// Rep.WCP-112. Geneva: World Meteorol.Organ. 1986. pp. 53.

158. Burch D.E., Alt R.L., Continuum absorption in the 700-1200 cm"1 and 2400-2800 cm"1 windows // Rep. AFGL-TR-84-0128 (U.S. Air Force Geophysics Laboratory). 1984.

159. HanY., Shaw J.A., Churnside J.H., Brown P.D., Clough S.A., Infrared spectral radiance measurements in the tropical Pacific atmosphere // J. Geophys. Res. D., 102 (4), 4353-4356 (1997).

160. Daniel J.S., Solomon S., Kjaergaard H.G., Schofield D.P. Atmospheric water vapour complex and the continuum // Geophys. Res. Lett., 31, L06118 (2004.).

161. Tomasi C. Vertical mass loading of aerosol particles by sun photometric measurements // Opt. Remote Sensing of Air Pollution / P. Camagni and S. Sandroni, Eds. Elsevier, 1983. P. 301-327.

162. Pkhalagov Yu.A., UzhegovV.N., Shchelkanov N.N. On continuous attenuation of optical radiation in the short-wave spectral region // Atmos. Ocean. Opt., 11 (4), 272-275 (1998).

163. Nesmelova L.I., Pkhalagov Yu.A., Rodimova O.B., Tvorogov S.D., UzhegovV.N., Shchelkanov N.N. On the nature of the atmospheric anomalous absorption of the short-wave radiation // Atmos. Ocean. Opt., 12 (3), 278-284 (1999).

164. Tikhomirov B.A., Tikhomirov A.B., FirsovK.M. Nonresonant absorption of pulsed ruby laser radiation by atmospheric air and HzO-nitrogen mixture // Atmos. Ocean. Opt., 14 (9), 674-680 (2001).

165. Sierk В., Solomon S., Daniel J.S., Portmann R.W., Gutman S.I., Langford A.O., Eubank C.S., Dutton E.G., Holub K.H. Field measurements of water vapor continuum absorption in the visible and near-infrared // J. Geophys. Res. D, 109 (8), D08307 (2004).

166. Aldener M., Brown S.S., Stark H., Daniel J.S., Ravishankara A.R., Near-IR absorption of water vapor: Pressure dependence of line strength and an upper limit for continuum absorption // J. Mol. Spectrosc., 232,223-230 (2005).

167. Chylek P., Fu Q., Tso H.C.W., Geldart D.J.W., Contribution of water vapor dimers to clear sky absorption of solar radiation // Tellus, 51A, 304-313 (1999).

168. Goldman N., Fellers R.S., Leforestier C. and Saykally J., Water dimers in the atmosphere: Equilibrium constant for water dimerization from the VRT(ASP-W) potential surface // J. Phys. Chem., 105, 515-519 (2001).

169. Goldman N., Leforestier C., Saykally R.J., Water dimers in the atmosphere II: results from the VRT(ASP-W)III potential surface // J. Phys. Chem. A, 108, 787-794 (2004).

170. Conant W.C., Vogelmann A.M. and Ramanathan V., The unexpected solar absorption and atmospheric H2O: a direct test using clear-sky data// Tellus, 50A, 525-533 (1998).

171. Wild M., Solar radiation budgets in atmospheric model intercomparisons from a surface perspective // Geophys. Res. Lett., 32, L07704 (2005).

172. Kjaergaard H.G., Robinson T.W., Howard D.L., Daniel J.S., Headrick J.E., Vaida V., Complexes of importance to the absorption of solar radiation // J. Phys. Chem. A, 107, 10680-10686(2003).

173. Scribano Y., Goldman N., Saykally R.J., Leforestier C., Water dimers in the atmosphere III: Equilibrium constant from a flexible potential // J. Phys. Chem. A, 110, 5411-5419 (2006).

174. Curtiss L.A., Frurip D.J., Blander M., Studies of molecular association in H20 and D2O vapors by measurement of thermal conductivity // J. Chem. Phys., 71, 2703-2711 (1979).

175. Mhin B.J., Lee S.J., Kim K.S., Water-cluster distribution with respect to pressure and temperature in the gas phase // Phys. Rev. A, 48, 3764-3770 (1993).

176. Tso HCW, Geldart DJ, Chylek P., Anharmonicity and cross section for absorption of radiation by water dimer Hi. Chem. Phys., 108, 5319-5329 (1998).

177. Vigasin AA., On the spectroscopic manifestations of weakly bound complexes in rarefied gases // Chem. Phys. Letters, 117(1), 85-88 (1985).

178. Epifanov S.Yu., Vigasin A.A., Subdivision of the phase space for anisotropically interacting water molecules // Molec. Phys., 90, 101-106 (1997).

179. Henry B.R., Use of local modes in the description of highly vibrationaly excited molecules // Acc. Chem. Res., 10,207-213 (1977).

180. Frisch M.J. et al. 'Gaussian 94 (Revision D.4)' // Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA, USA, 1995.

181. Ballard, J., Strong, K., Remedios, J., Page, M. and Johnston, W. B. A coolable long path absorption cell for laboratory spectroscopic studies of gases. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 52, 677-691 (1994).

182. Remedios J. J., D. Phil. Thesis, Oxford University (1990).

183. Norton R. H. and Beer R., New apodizing functions for Fourier spectrometry // J. Opt. Soc. Am., 66, 259-264(1976).

184. Mertz L., Auxiliary computation for Fourier transform spectrometry // Infrared Phys., 7, 1723 (1967).

185. Slanina Z., Crifo J.-F., A refined evaluation of the gas-phase water-dimerization equilibrium constant within non-rigid BJH- and MCY-type potentials // Int. J. Thermophys., 13 (3), 465476 (1992).

186. Munoz-Caro C., Nino A., Effect of anharmonicities on the thermodynamic properties of the water dimer//J. Phys. Chem., 101,4128-4135 (1997).

187. Birk M., Hausamann D., Wagner G., Johns J. W., Determination of line strengths by Fourier-transform spectroscopy // Appl. Opt., 35, 2971-2985 (1996).

188. Dicke R.H., The effect of collisions upon the Doppler width of spectral lines // Phys. Rev., 89,472-473 (1953).

189. Раутиан С.Г., Собельман И.И., Влияне столкновений на допплеровское уширение спектральных линий // УФН, 9, 701 (1967).

190. Varghese P.L., Hanson R.K., Collisional narrowing effects on spectral line shapes measured at high resolution // Appl. Opt., 23, 2376-2385 (1984).

191. Gamache R.R., Fischer J., Calculated half-width and line shifts of water vapor transitions in the 0.7-pm region and a comparison with published data // J. Mol. Spectrosc., 207, 254-262 (2001).

192. Toth R.A., Measurements and analysis (using empirical functions for widths) of air- and self-broadening parameters of H20 // JQSRT, 94,1-50 (2005).

193. Toth R.A., Measurements of positions, strengths and self-broadened widths of H2O from 2900 to 8000 cm"1: line strength analysis of the 2nd triad bands // JQSRT, 94, 51-107 (2005).

194. Galatry L., Simultaneous effect of Doppler and foreign gas broadening on spectral lines // Phys. Rev., 122, 1218-1223 (1961).

195. Henry A., Hurtmans D., Margottin-Maclou M., Valentin A., Confinment narrowing and Absorber speed dependent broadening effects on CO lines in the fundamental band perturbed by Xe, Ar, Ne, He and N2 // JQSRT, 56, 647-671 (1996).

196. Тихомиров Б.А., Тихомиров А.Б., Фирсов K.M. Нерезопапсное поглощение импульсного излучения лазера на рубине атмосферным воздухом и смесью Н20 с азотом // Оптика атмосферы и океана, 14 (9), 740-747 (2001).

197. Дмитриев Д.В., Поплавский Ю.А., Синица J1.H, Матульян АЛО., Щербаков А.П. Спектр поглощения диоксида азота (N02) в диапазоне 3900-8000 А // Оптика атм. и океана, 15(9), 778-781 (2002).

198. Козлов B.C., Панченко М.В., Тихомиров А.Б., Тихомиров Б.А. Измерение аэрозольного поглощения излучения с длиной волны 694.300 нм в приземном слое воздуха // Оптика атмосферы и океана, 15 (9), 756-761 (2002).

199. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. М.: Наука, 1984. 320 с.

200. Зуев В.Е., Лопасов В.П., Тырышкин И.С., Экспериментальное исследование уширения контура линии поглощения водяных паров азотом // Квантовая электроника, 4 (6), 1375-1377(1977).

201. Grossmann B.E., Browell E.V., Water-vapor line broadening and shifting by air, nitrogen, oxygen, and argon in the 720-nm wavelength region // J. Molec. Spectr., 138 (2), 562-595 (1989).

202. Mandin J.Y., Chevillard J.P., Flaud J.M., Camy-Peyret C., N2 broadening coefficients of H2160 lines between 9500 and 11500 cm'1 // J. Molec. Spec., 138 (1), 272-281 (1989).

203. Busch K.W., Busch M.A. (ed.), Cavity Ringdown Spectroscopy, An Ultratrace-Absorption Measurement Technique, Oxford Univ. Press, ACS Symp. Series, 1999.

204. Romanini D., Kachanov A.A., Sadeghi N., Stoeckel F., CW cavity ring down spectroscopy // Chem. Phys. Letters, 264, 316-322 (1997).

205. Romanini D., Kachanov A.A., Stoeckel F., Diode laser cavity ring down spectroscopy // Chem. Phys. Letters, 270, 538-545 (1997).

206. Romanini D., Kachanov A.A., Stoeckel F., Cavity ring down spectroscopy: broad band absolute absorption measurements // Chem. Phys. Letters, 270, 546-550 (1997).

207. Reichert L., Andres-Hernandez M.D., Burrows J.P., Methodologies to retrieve precise spectroscopic parameters for weak water absorption features in close vicinity to strong absorption lines (manuscript in preparation)

208. ESA SP-1279(3) WALES Water Vapour Lidar, Reports for mission selection, The six candidate Earth explorer missions, Experiment in Space, ESA Publications Division, ISBN 92-9092-962-6, ISSN 0379-6566, 2004.

209. Malathy Devi M., D.C.Benner, C.P.Rinsland, M.A.H.Smith and B.D.Sidney, Diode laser1 ISmeasurements of air and nitrogen broadening in the V2 bands of HDO, H2 О and H2 О // J. Mol. Spect, 117, 403-407 (1986).

210. Gasster, S.D., C.H.Townes, D. Goorvitch, Valero F.P.J., Foreign-gas collision broadening of the far-infrared spectrum of water vapor // J. Opt .Soc. Amer., B5, 593-601 (1988).

211. Varanasi P., and Chudamani S., Self- and N2-broadened spectra of water vapour between 7.5 and 14.5 mm // JQSRT, 38 (6), 407-412 (1987).

212. Cormier J.G., R. Ciurylo, J.R. Drummond, Cavity ringdown spectroscopy measurements of the infrared water vapor continuum // Journal of Chem. Phys., 116 (3), 1030-1034 (2002).

213. Schenter G.K., Kathmann S.M., Garrett B.C., Equilibrium constant for water dimerization: Analysis of the partition function for a weakly bound system // J. Phys. Chem. A, 106, 15571566 (2002).

214. Mlawer E.J., Clough S.A., Brown P.D., Tobin D.C., Collision-induced effects and the water vapor continuum // In Eight ARM Science Team Meeting Proceedings, Tucson, Arizona, March 23-27,1998, p. 503-511.

215. Moreau G., Boissoles G., Le Doucen R., Boulet C., Tipping R.H., Ma Q., Metastable dimer contributions to the collision-induced fundamental absorption spectra of N2 and 02 pairs // JQSRT, 70, 99-113 (2001).

216. Lotter A., Ph.D. thesis in http://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/volltexte/2006/ 6686/pdf/dissertationlotter.pdf.

217. Ландсберг Г.С., Ухолин C.A. // ДАН, 8, 388 (1937).

218. Franck E.U., Rott K., Infrared absorption of HDO in water at high pressures and temperatures // Disc. Farad. Soc., 43,108-114 (1967).

219. Vigasin AA, Pavlyuchko AI, Jin Y, Ikawa S., Density evolution of absorption bandshapes in the water vapor OH-stretching fundamental and overtone: evidence for molecular aggregation//J. Mol. Struct., 742,173-181 (2005).

220. McClatchey R.A., Benedict W.S., Clough S.A., Burch D.E., Calfee R.F., Fox K., Rothman L.S., Garing J.S., AFCRL Atmospheric absorption line parameters compilation // AFCRL-TR-73-0096, Environmental research paper N. 434 (1973).

221. Harvey A.H., Lemmon E.W., Correlation for the second virial coefficient of water // J. Phys. Chem. Ref. Data, 33 (1), 369-376 (2004).

222. Paul J.В., Provencal R.A., Chapo C., Roth K., Casaes R., Saykally R.J., Cavity ringdown spectroscopy of the water cluster bending vibrations // J. Phys. Chem. A., 103, 2972-2974 (1999).

223. Vigasin A.A., Bound, metastable and free states of bimolecular complexes // Infrared Phys., 32, 461-470(1991).

224. Wild M., Ohmura A., The role of clouds and the cloud-free atmosphere in the problem of underestimated absorption of solar radiation in GCM atmospheres // Phys. Chem. Earth B, 24,261-268(1999).

225. Halthore R.N., Schwartz S.E., Comparison of model-estimated and measured downward irradiance at surface in cloud-free skies // J. Geophys. Res., 105 (20), 165-177 (2000).

226. Несмелова Л.И., Родимова О.Б., Творогов С.Д. Поглощение водяным паром в близкой инфракрасной области и некоторые геофизические следствия. // Оптика атмосферы и океана, 10 (2), 131-135 (1997).

227. Giver L.P., Chackerian С. Jr., Varanasi P., Visible and near-infrared H'V) line intensity corrections for HITRAN-96 // JQSRT, 66, 101-105 (2000).

228. Chagas JCS, Newnham DA, Smith KM, Shine KP. EMects of improvements in near-infrared water vapour line intensities on short-wave atmospheric absorption // Geophys. Res. Lett., 28,2401-2404 (2001).

229. Rothman L.S., Gamache R.R., Goldman A., Brown L.R., Toth R.A., Pickett H.M., Poynter R.L., Flaud J.-M., Camy-Peyret C., Barbe A., Husson N., Rinsland C.P., Smith M.A.H., The HITRAN database: 1986 ed. // Appl. Opt., 26,4058-97 (1987).

230. Toth R.A., Extensive measurements of H2160 line frequencies and strengths: 5750 to 7965 cm'1 // Appl. Opt., 33,48514867 (1994).

231. Kurucz R.L., http://cfaku5.harvard.edu/sun/irradiance/irradiancebins.dat, 1998.

232. Voronin B.A., A.B. Serebrennikov, and T.Yu. Chesnokova, Estimation of the role of weak water vapor absorption lines in solar radiation transfer // Atmos. Oceanic Opt., 14 (9), 718721 (2001).

233. Fu Q., Lesins G., Higgins J., Charlock Т., Chylek P. and Michalsky J. Broadband water vapor absorption of solar radiation tested using ARM data // Geophys. Res. Lett., 25, 1169— 1172(1998).