Лабораторное исследование континуального поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне длин волн

Серов, Евгений Александрович

Лабораторное исследование континуального поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Серов, Евгений Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Лабораторное исследование континуального поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне длин волн»

Автореферат диссертации на тему "Лабораторное исследование континуального поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне длин волн"

На правах рукописи

005051234

СЕРОВ Евгений Александрович

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТИНУАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

4 АПР 2013

Нижний Новгород — 2013

005051234

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

А. М. Фейгин, ИПФ РАН, Н. Новгород

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

И. И. Зинченко, ИПФ РАН, Н. Новгород;

доктор физико-математических наук А. В. Троицкий, НИРФИ, Н. Новгород

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (г. Томск).

Защита состоится «15» апреля 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан «13» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. Вода присутствует на Земле во всех трех агрегатных состояниях и оказывает большое влияние на многие физические, химические и биологические процессы, происходящие на нашей планете. В частности, примерно половина естественного парникового эффекта объясняется поглощением электромагнитного излучения водяным паром, присутствующим в атмосфере [1,2]. Климат планеты в значительной степени определяется именно содержанием водяного пара в атмосфере, климатические модели и прогнозы, создаваемые на их основе, крайне чувствительны по отношению к физическим свойствам водяного пара, в том числе к количественным характеристикам его спектра поглощения. Кроме наличия колебательно-вращательных полос, содержащих множество резонансных линий, спектр водяного пара характеризуется наличием нерезонансного поглощения, которое плавно (по сравнению с резонансной частью) меняется с изменением частоты от микроволнового диапазона до видимого. Это поглощение, называемое континуальным, играет большую роль в климатическом балансе Земли в силу крайне широкого диапазона частот, в котором оно наблюдается. Кроме водяного пара, вклад в атмосферный континуум вносят и все другие молекулы, но в значительно меньшей степени. Это объясняется тем, что по своей природе континуальное поглощение связано с парным взаимодействием молекул, которое сильнее всего проявляется у молекул воды ввиду наличия межмолекулярных водородных или Ван-дер-Ваальсовых связей.

Наибольший относительный вклад континуума в атмосферное поглощение наблюдается в окнах относительной прозрачности атмосферы, расположенных в промежутках между колебательно-вращательными полосами атмосферных газов. Если говорить о миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн, относящемся к области чисто вращательного спектра атмосферных молекул, то вклад континуального поглощения в микроокнах прозрачности (между линиями Н20 и 02) может превышать суммарный вклад резонансных линий почти на порядок.

Правильный учёт континуального поглощения атмосферы важен для построения теоретических моделей распространения излучения в атмосфере, необходимых как для интерпретации данных, получаемых при мониторинге атмосферы с наземных, воздушных и космических станций дистанционного зондирования, так и для расчёта дальности действия радаров и систем связи наземного и космического базирования.

Другим важным обстоятельством является определение физических механизмов, ответственных за континуальное поглощение. Несмотря на длительную историю исследований этого феномена, вопрос о его причинах остаётся открытым. Бесспорным является тот факт, что континуальное поглощение обусловлено столкновительным взаимодействием молекул. В современной работе, посвященной исследованию этой тематики [3],

предложено использовать термин «бимолекулярное поглощение» для обозначения континуума. В рамках такого подхода выделяют три механизма, ответственных за континуум. Континуальное поглощение обусловлено парными состояниями молекул воды - стабильными (связанными) димерами, метастабильными димерами и свободными парами молекул, не образующими димер, за счет возникновения наведенного диполыюго момента при взаимодействии этих молекул (столкновительно-индуцированнос поглощение). Другой подход к объяснению континуума - коррекция формы дальних крыльев резонансных линий [4], необходимость которой обусловлена нарушением приближения упругих столкновений. Вопрос об относительных вкладах перечисленных здесь механизмов на сегодняшний день не решен однозначно. Если в полосах поглощения ближнего ИК диапазона доминирующий вклад в континуальное поглощение стабильных и метастабильных димеров был показан в последние годы достаточно достоверно (см. обзор [3]), вопрос о природе континуума в окнах прозрачности атмосферы остается открытым. Это обусловлено как очень слабой величиной континуального поглощения в окнах прозрачности, так и не всегда достаточным количеством информации для выделения в ! континуальном спектре нескольких близких по характеру частотной зависимости составляющих при атмосферных условиях. Как было замечено в недавней обзорной работе, посвященной исследованиям континуального поглощения [51, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в последние 30 лет, гораздо больше в исследованиях континуума ещё предстоит сделать. Одной из существенных проблем остается нехватка надежных экспериментальных данных, которые пролили бы больше света на физические механизмы, ответственные за формирование коггтинуума. Настоящая работа была направлена на получение таких данных.

Основной целью данной работы является получение новых прецизионных экспериментальных данных, характеризующих континуальное поглощение в ММ диапазоне длин воли. В частности, была поставлена задача исследования спектра поглощения водяного пара при низком давлении с целью выявления в нем спектральных особенностей (пиков) димеров воды. Поскольку по опенкам эти особенности должны быть достаточно слабовыраженными, потребовалось использовать спектрометр с высокой чувствительностью и широкой полосой спектрального анализа. Единственным типом спектрометров, удовлетворяющим этим требованиям в ММ диапазоне, является резонаторный спектрометр [8,9].

Научная новизна работы заключается в следующем: получены новые прецизионные экспериментальные данные, характеризующие континуальное поглощение в ММ диапазоне длин волн в существенно более широком диапазоне условий (температур и давлений). В частности, впервые в лабораторных условиях исследовано континуальное поглощение в ММ диапазоне при температуре ниже 0 °С. Определенные на основе

экспериментальных данных параметры модельной функции, характеризующей континуальное поглощение, получены с меньшей погрешностью по сравнению с предыдущими работами. Этого удалось достичь, в частности, благодаря минимизации влияния систематической погрешности, обусловленной неконтролируемой адсорбцией молекул воды на элементах спектрометра. На основе анализа эмпирических данных о термодинамических характеристиках водяного пара впервые получена оценочная зависимость константы тримеризации воды от температуры. В результате экспериментального исследования континуального поглощения в водяном паре при комнатной температуре и давлении около 13 Topp впервые идентифицированы разрешенные пики вращательного спектра димеров воды в равновесных условиях, близких к атмосферным. Статистически достоверное наблюдение четырех последовательных пиков, частоты которых соответствуют расчетным значениям вращательных переходов J+l <— J, К=0, Ei димеров воды, и совпадение интегральной интенсивности измеренного спектра с рассчитанной величиной впервые дало прямое подтверждение димерной природы континуума в ММ диапазоне.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные результаты важны для уточнения моделей распространения электромагнитных волн в атмосфере, которые используются для дистанционного зондирования окружающей среды, расчета дальности действия средств связи, при наблюдении астрофизических объектов наземными средствами. Практическая ценность обусловлена, в том числе тем, что лабораторные исследования континуального поглощения проводились при низких температурах, характерных для реальной атмосферы (вплоть до -12 °С). Важным для практических приложений результатом также является определение спектроскопических параметров линий атмосферных газов в диапазоне частот 350-500 ГГц. Некоторые из этих параметров определены впервые, другие - с меньшей погрешностью по сравнению с предшествующими результатами.

Основные положения. На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Резонаторный спектрометр может использоваться для прецизионного лабораторного исследования континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в миллиметровом диапазоне длин волн при температурах от -12 °С до +55 °С. Использование квазиоптического тракта для возбуждения резонатора и снятия отклика, активного умножителя частоты сигнала синтезатора с выходной частотой в диапазоне 75-110 ГГц для работы системы ФАПЧ и охлаждаемого болометра для детектирования сигнала позволяет расширить диапазон частот классического резонаторного спектрометра в СубММ область спектра до 520 ГГц. Данный резонаторный спектрометр может использоваться для прецизионного измерения

спектроскопических параметров линий молекулярного кислорода и водяного пара в диапазоне частот 350-500 ГГц при атмосферном давлении.

2. Квадратичная по влажности составляющая континуума, измеренная с помощью резонаторного спектрометра при температурах ниже 300 К, может быть более чем на 90 % отнесена к спектру связанных димеров воды.

3. Численный анализ эталонных эмпирических данных о термодинамических характеристиках водяного пара позволяет оценить максимально возможные концентрации димеров и тримеров в водяном паре в диапазоне температур 273-1275 К. Согласно этим оценкам, при температуре 300 К и концентрации водяного пара, соответствующей насыщению (8,54*1017 см~3), максимальная концентрация димеров составляет 1,49x1015 см'3, а максимальная концентрация тримеров — 5,11><1012 см J.

4. Исследование спектра поглощения водяного пара с помощью резонаторного спектрометра позволяет обнаружить разрешенные пики вращательного спектра димеров воды в равновесных условиях, близких к атмосферным.

Достоверность. Научные положения и выводы диссертации соответствуют современным экспериментальным и теоретическим данным, опубликованным в научных журналах соответствующего профиля. Экспериментальные результаты получены по апробированным методикам в сериях экспериментов, показавших высокую повторяемость, и не вызывают сомнений. Полученные в диссертационной работе результаты неоднократно докладывались на российских и международных конференциях и обсуждались в дискуссиях с российскими и зарубежными научными сотрудниками, опубликованы в реферируемых научных журналах и трудах конференций. Все это позволяет считать представленные в диссертации результаты обоснованными и достоверными.

Апробация представленных в работе результатов. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах ИПФ РАН, а также конференциях:

2008 30th ESA Antenna Workshop on Antennas for Earth Observation, Science, Telecommunication and Navigation Space Missions, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands; 18-я Международная Крымская Конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2008), Севастополь, Украина.

2009 XIII научная конференция но радиофизике, ННГУ им. Лобачевского, Н.Новгород; 5th ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications & 31st ESA Antenna Workshop., ESTEC, Noordwijk, The Netherlands; Международная научная конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2009, Таганрог-Геленджик;

2010 XIV научная конференция по радиофизике., ННГУ им. Лобачевского, Н.Новгород; 7th Int. Kharkov Symposium on Physics & Engineering of Microwaves, MM and SubMM Waves, Kharkov, Ukraine; 20-я Международная

Крымская Конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2010); 21 st International Conference on High Resolution Molecular Spectroscopy, Poznan, Poland; XIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (МАПАТЭ-2010), Н. Новгород;

2011 XV научная конференция по радиофизике, ННГУ им. Лобачевского, Н.Новгород; 23-я Всероссийская Научная Конференция Распространение Радиоволн, Йошкар-Ола; The 22nd Colloquium on High Resolution Molecular Spectroscopy, Dijon, France; VIII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Н.Новгород; XV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (САТЭП-2011), Борок;

2012 6th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2012), Prague, Czech Republic; XVI научная конференция по радиофизике, ННГУ им. Лобачевского, Н.Новгород; XVII Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2012, Zelenogorsk near St. Petersburg.

Результат по наблюдению разрешенного вращательного спектра димеров воды, опубликованный в работе [9а], получил признание мировой научной общественности (см., например, отзыв профессора Сэйкалли [7] (R.J. Saykally, Berkeley University of California), который возглавляет международную группу по исследованию малых кластеров воды и водородных связей).

Личный вклад автора в получение результатов, которые легли в основу диссертационной работы, представлен отдельно по каждой статье, опубликованной в реферируемых изданиях. В работе [1а] автор совместно с В.В. Паршиным занимался исследованием влияния влажности окружающей среды на диэлектрические свойства плёнок, используемых для связи резонатора с внешним тракгом. В работе [2а] автор совместно с В.В. Паршиным исследовал отражательную способность зеркал, применяемых в высокодобротных системах (резонаторах), и покрытий, используемых при изготовлении антенн телескопов. В работе [За] автор внёс определяющий вклад в разработку методики исследования диэлектрических плёнок, проведение экспериментов, и обработку экспериментальных данных. В работах [4а] и [9а] автор совместно с М.А. Кошелевым занимался разработкой оптимальной методики исследования с целью минимизации влияния систематических погрешностей на результаты измерений и проведением экспериментов. В этих работах автор также занимался численной и аналитической обработкой экспериментальных данных (совместно с М.А. Кошелевым в работе [4а] и совместно с М.Ю. Третьяковым в работе [9а]). В работе [5а] автор внес определяющий вклад в численную обработку данных и проведение аналитических выкладок. В работах [6а-8а] автор принимал участие в экспериментальных исследованиях и получении новых научных результатов наряду с другими соавторами.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность исследований по теме диссертации, сформулирована основная цель работы, представлена структура диссертации, приведена её краткая характеристика, представлены выносимые на защиту положения.

В первой главе диссертации приведено описание использовавшегося резонаторного спектрометра и принципа его работы. Также в этой главе содержатся результаты исследования особенностей элементов связи спектрометра (тонких диэлектрических пленок) и отражающих характеристик металлических зеркал. Эти исследования потребовались для достижения максимальной чувствительности и выбора конфигурации спектрометра, оптимальной для исследования континуума. Кроме того, в первой главе представлены результаты работ по расширению рабочего диапазона частот спектрометра до 520 ГГц, что открывает новые перспективы, в том числе, в исследованиях атмосферного континуума.

Резонаторный спектрометр является прецизионным инструментом для измерения омических потерь металлов и покрытий, диэлектрических параметров материалов и поглощающих свойств газов в ММ и СубММ диапазонах. Измерения основаны на определении резонансной частоты и ширины резонансного контура резонатора. Частотные измерения являются на сегодняшний день наиболее точными, поэтому измеряемые величины могут быть определены с очень высокой точностью. Подробное описание устройства резонаторного спектрометра, используемого в ИПФ РАН, содержится в работах [8, 9, 1а]. На рис. 1 приведена блок-схема спектрометра.

Синхронизатор

Выходной Фазовый 1 детектор | Делитель ¡Усилитель!

усилитель Рпч/10 пч |

А ЦП —|> Быстрый синтезатор

I Процессор

□

БШЕШ1

н>

МВ синтезатор 8-12 ГГц

\Малошумящий усилитель

Детектор I

, _к] Источник "^питания ЛОВ

Поглотитель

----ИЗ^СЬ-А-г4*™

Направленный Делитель ответвитель пучка

Рис. Блок-схема резонаторного спектрометра, используемого в ИПФ РАН

В зависимости от того, какой образец исследуется с помощью резонаторпого спектрометра, реализуются различные схемы измерений. Если требуется определить поглощающие свойства газа [10], то сначала измеряется частотная зависимость собственных потерь резонатора, который заполнен непоглощающим газом (например, Аг или N2). После этого резонатор заполняется исследуемым газом и вновь проводится запись частотной зависимости потерь. В обоих случаях потери в резонаторе определяются по ширине резонансной кривой. Коэффициент поглощения газа при условии малого поглощения может быть определён но приближенной формуле:

а = 2£.( д/;-д/о), (1)

где с - скорость света в газе, А/, - ширина резонансного контура, измеренная при заполнении резонатора исследуемым газом, А/0 - ширина резонансного контура, измеренная при заполнении резонатора непоглощающим газом.

Для эффективного использования резонаторного спектрометра в качестве высокочувствительного инструмента для исследования спектров поглощения атмосферных газов при различных условиях необходимо выбрать оптимальную конфигурацию резонатора: требуется минимизировать собственные потери резонатора, которые включают потери на связь и потери на отражение от зеркал (дифракционные потери в используемой конфигурации много меньше остальных потерь), обеспечив при этом высокое отношение сигнала к шуму при записи отклика резонатора. Кроме того, важно минимизировать возможные систематические погрешности, имеющие место в процессе измерений. Для решения этих задач были исследованы характеристики зеркал и элементов связи резонаторного спектрометра.

Оптимальной схемой организации связи резонатора с внешним квазиоптическим трактом является связь с помощью тонкой диэлектрической плёнки. Такая связь обеспечивает минимальное искажение структуры гауссова пучка резонатора, хорошее согласование резонатора с квазиоптическим трактом, возможность обеспечить требуемый коэффициент связи выбором материала пленки и ее толщины. Диэлектрические параметры тонких плёнок могут существенно варьироваться в зависимости от производителя, толщины и условий внешней среды. Кроме того, из-за технологических особенностей изготовления большинство полимерных плёнок являются рулонными материалами и обладают анизотропией, что необходимо учитывать при использовании их в качестве элементов связи.

Нами были исследованы диэлектрические свойства плёнок различной толщины, изготовленных из тефлона, лавсана и полиимида [За]. Было экспериментально доказано наличие анизотропии тонких диэлектрических плёнок, были измерены компоненты тензора диэлектрической проницаемости. Для лавсановых и полиимидных плёнок обнаружена существенная зависимость диэлектрических параметров от влажности окружающего газа (воздуха). В наименьшей степени такая зависимость

свойственна тефлоновым плёнкам, поэтому их предпочтительно использовать в качестве плёнок связи при исследовании поглощающих свойств влажных газов с целью минимизации возможных систематических ошибок.

Исследован вопрос о возможности повышения чувствительности спектрометра путём охлаждения зеркал резонатора, что уменьшает потери на отражение. В §1.3 представлены результаты исследования температурной зависимости отражательной способности металлов в ММ и СубММ диапазонах длин волн.

При взаимодействии металла с электромагнитной волной имеет место скин-эффект, т.е. проникновение электромагнитного поля в металл на некоторую глубину, называемую глубиной скин-слоя [11]. При исследовании отражающей способности металлов в ММ и СубММ диапазонах при низких температурах важно учитывать аномальный характер скин-эффекта, который проявляется в том, что даже при уменьшении сопротивления металла до нуля при температуре, стремящейся к нулю, потери на отражения остаются конечной величиной, которая определяется характеристиками Ферми-поверхности металла [11].

Медь, наряду с серебром, золотом и алюминием является металлом, обладающим наименьшими потерями на отражение в ММ и СубММ диапазоне, поэтому может использоваться для изготовления зеркал высокодобротных систем. Был выполнен теоретический расчёт температурной зависимости потерь на отражение в медном зеркале и проведено экспериментальное определение такой зависимости в диапазоне температур от 7,5 до 290 К с помощью новой модификации резонаторного спектрометра. Насколько известно автору, для температур ниже 78 К такая экспериментальная зависимость в ММ диапазоне была получена впервые. Из анализа полученных результатов следует нецелесообразность охлаждения медных зеркал ниже температуры приблизительно 60 К с целью уменьшения потерь на отражение, поскольку соответствующая температурная зависимость выходит на константу. Такой вывод справедлив и для других металлов. Проведенные исследования показывают, что охлаждение зеркал резонатора может обеспечить увеличение чувствительности спектрометра не более чем в 2-3 раза.

В § 1.4 представлены результаты работ по расширению рабочего диапазона частот резонаторного спектрометра в СубММ часть спектра до 520 ГГц. Такое расширение необходимо, в том числе, для получения широкодиапазонной записи спектра атмосферного континуума в длинноволновой части СубММ диапазона (f 300 -- 600 ГГц). Интерес к получению такого спектра связан с тем, что в этом диапазоне, как ожидается [12, 13], будет наблюдаться изменение характера (перегиб) частотной зависимости континуального поглощения в связи с достижением максимума огибающей вращательной полосы спектра димеров воды - одной из составляющих континуума. Для обеспечения стабильной работы

резонаторного спектрометра в диапазоне частот выше 350 ГГц и возможности проводить прецизионные измерения в этом диапазоне конструкция спектрометра подверглась значительным изменениям, необходимость которых была в первую очередь обусловлена резким уменьшением выходной мощности ЛОВ, возбуждающей резонатор, и значительным снижением чувствительности точечно-контактных детекторов. Подробное описание этих изменений содержится в работе [7а].

Благодаря расширению диапазона частот резонаторного спектрометра стало возможным проведение новых высокоточных спектроскопических исследований в СубММ диапазоне. На рис. 2 показана экспериментальная запись спектров атмосферного поглощения в диапазоне частот 350-500 ГГц. Результаты измерения спектроскопических параметров линий атмосферных газов в этом диапазоне частот [6а, 8а] важны для фундаментальной науки и для прикладных задач, таких как дистанционное зондирование атмосферы. Некоторые из измеренных параметров [7а, 8а] в настоящее время используются для уточнения модели распространения ММ и СубММ волн в земной атмосфере [14]. Полученные результаты также важны для исследования атмосферного континуума в СубММ диапазоне. Континуальное поглощение представляет собой разность между экспериментально измеренным поглощением в газе и суммарным вкладом резонансных линий, поэтому уточнение параметров уширения линий в СубММ диапазоне позволит с большей точностью определять вклад континуума в атмосферное поглощение.

Рис. 2. Экспериментальная запись спектров поглощения лабораторного воздуха (сплошная линия), влажного азота (штрихпунктирная линия) и влажного кислорода при комнатной температуре и атмосферном давлении, полученных с помощью резонаторного спектрометра. Спектры азота и воздуха сдвинуты вверх по вертикальной шкале на 10~5 и 2х1(Г5 см-1, соответственно, для наглядности

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию континуального поглощение в смеси водяного пара с азотом при атмосферном давлении в диапазоне температур 261-328 К.

Анализ существующих работ по экспериментальному исследованию континуума (см., например, [15, 16, 18]) показывает, что в ММ диапазоне единственным инструментом, который обеспечивает необходимую чувствительность для прецизионного исследования континуального поглощения, является резонаторный спектрометр. Высокая чувствительность резонаторного спектрометра по поглощению объясняется большой эффективной длиной пути излучения (порядка километра) в резонаторе. Подобные длины могут быть достигнуты и в полевых измерениях [17], но при этом нет возможности обеспечить достаточный контроль метеоусловий вдоль трассы распространения, что существенно увеличивает погрешность определения спектроскопических параметров атмосферных газов.

Одной из особенностей исследования континуального поглощения во влажных газах с помощью резонаторного спектрометра является влияние на результаты измерений систематической ошибки, обусловленной неконтролируемой адсорбцией молекул воды на поверхностях спектрометра. В той или иной степени эта систематическая ошибка имела место во всех предшествующих лабораторных измерениях континуального поглощения в ММ и СубММ диапазонах [15, 18], а её влияние в большей степени сказывалось при более низких температурах. Важным результатом, достигнутым в диссертационной работе, была разработка и практическая реализация методики, позволившей минимизировать вышеупомянутую систематическую ошибку. Эта методика основана на использовании для измерения поглощения в газе двух резонаторов, отличающихся но длине в 2 раза [1а] и является частным случаем известного метода вариации дальности. Выполнение серии предварительных эксперимегггов подтвердило возможность корректного учета систематической ошибки, связанной с осаждением молекул воды на элементах резонатора.

Поглощение в газовом образце было измерено в 10 точках по частоте от 107 до 143 ГГц. Измерения проводились в диапазоне температур от-12 °С до +55 °С. Влажность газовой смеси изменялась в пределах от 0 до 60 % при каждой температуре. Экспериментальная установка не позволяла менять давление газовой смеси, поэтому все измерения проводились при атмосферном давлении.

Коэффициент поглощения газовой смеси а рассчитывался через ширины откликов двух резонаторов. Для определения величины континуального поглощения из суммарного поглощения необходимо вычесть вклад резонансных линий:

где acont - величина континуального поглощения, at0ta] - суммарное поглощение газовой смеси, а!оса] - суммарный вклад резонансных линий. Этот вклад был вычислен с использованием модели МРМ [14, 19].

Для количественного анализа континуального поглощения использовалась эмпирическая формула, описывающая зависимость величины этого поглощения от частоты излучения и свойств газовой смеси [14,15]:

^Л/^)=(Сп2о(Т)-Р10+сК!(турщ -PHj0)-/2, (3)

где рн о и - парциальное давление водяного пара и азота соответственно, а С,ио(Т)" (Т) ~ параметры квадратичной и линейной по влажности

составляющих континуума при температуре Т соответственно (первая составляющая отвечает взаимодействию двух молекул воды, а вторая -взаимодействию молекулы воды с молекулой стороннего газа, в данном случае - азота). В правой части выражения (3) опущено слагаемое, пропорциональное квадрату давления азота (сухой континуум), поскольку это слагаемое вычитается вместе с аппаратной функцией, запись которой происходит при заполнении резонаторов сухим азотом.

Для температур, превышающих О °С, модельная функция вида (3) для наилучшего соответствия экспериментальным данным оптимизировалась методом наименьших квадратов, при этом варьируемыми параметрами были коэффициенты Сно(Г) и CN (Г). При относительно высоких давлениях

водяного пара вклады линейной и квадратичной по влажности составляющих континуума сравнимы но величине, поэтому оба коэффициента Снп(Т) 11

CN (Г) Moi-ут быть определены из соответствующих зависимостей. При

низком содержании водяного пара (что особенно характерно для температур ниже 0°С) вклад квадратичной по влажности составляющей становится много меньше вклада линейной, а коэффициент Сно не удается определить с

удовлетворительной точностью. Поэтому для этих температур вклад квадратичной по влажЕюети составляющей континуума вычислялся по полученным ранее данным для температур выше О °С и вычитался из экспериментально определенного континуального поглощения. Оставшаяся часть аппроксимировалась зависимостью вида (3), в которой полагалось С„ а(Г) =0, в результате чего определялся только коэффициент CN ■

После обработки результатов экспериментов для каждой температуры на основе полученных данных были определены температурные зависимости параметров континуума. Для описания этих зависимостей в ММ диапазоне обычно используются обратные степенные функции [14, 15]:

снАТ) = с

300

(4)

где 0 и с^,~~ значения параметров континуума при температуре 300 К, a ns

и nj - их температурные экспоненты; температура Т в (4) измеряется в градусах Кельвина.

В результате обработки экспериментальных данных определены вышеупомянутые 4 параметра, описывающих континуальное поглощение во влажном азоте в ММ диапазоне: с,0,0~ 7,96(9)-10'8 дБ/км/(ГГц гГ1а)2,

Cl= 2,875(35)-10"9 дБ/км/(ГГц-гПа)2, ns = 5,24(21), nf= 0,91(17). Полученные

параметры в целом хорошо согласуются с соответствующими результатами наиболее известных предшествующих лабораторных исследований [18,20]. Из сравнения этих результатов с предшествующими можно сделать следующие важные выводы: (1) наблюдаемое в целом хорошее согласие подтверждает надёжность полученных результатов; (2) полученные результаты характеризуются лучшей точностью, поскольку была минимизирована систематическая погрешность, связанная с адсорбцией молекул воды на поверхностях спектрометра; (3) ценность результатов для практического применения обусловлена тем, что температурный диапазон, в котором они получены, ближе к диапазону температур реальной атмосферы по сравнению с предшествующими результатами, в частности, впервые выполнены лабораторные исследования континуума в ММ диапазоне при температурах ниже 0 °С.

Полученные результаты также сравнивались с теоретическими расчётами, учитывающими основные физические механизмы, обуславливающие континуальное поглощение. Сравнение квадратичной по влажности составляющей континуума с ab-initio расчётом спектра стабильных димеров воды [13] показывает, что при комнатной температуре и ниже квадратичная по влажности составляющая может быть практически полностью отнесена к димерному спектру. При более высоких температурах необходимо учитывать другие механизмы бимолекулярного поглощения, что качественно согласуется с выводами работы [3]. Хорошее согласие экспериментальных результатов с результатами расчёта спектра димеров воды в исследованном диапазоне температур свидетельствует о возможности экспериментального наблюдения этого спектра в водяном паре при низком давлении, что ранее обсуждалось в [6].

Линейная по влажности составляющую континуального поглощения, определенная в настоящей работе, сравнивалась с результатами расчёта континуального поглощения на основе коррекции формы дальних крыльев линий воды [21]. На основе этого сравнения можно сделать вывод, что во всём исследованном нами диапазоне температур поглощение, рассчитанное в работе [21] на основе коррекции формы дальних крыльев линий, составляет лишь часть от экспериментально измеренной линейной по влажности составляющей континуума, что подтверждает необходимость учёта других механизмов бимолекулярного поглощения.

Анализ научных работ, посвященных исследованию физической природы континуума, показывает, что эта проблема привлекает к себе интерес учёных с первой половины XX века. Подробные обзоры по этой теме могут быть найдены в работах [5] и [3, 22]. Первоначально континуальное поглощение было обнаружено в ИК диапазоне и отнесено к вкладу далёких линий водяного пара. Позже нерезонансное поглощение было обнаружено и в других спектральных диапазонах, в том числе, в микроволновом диапазоне. Были проведены многочисленные исследования, как лабораторные, так и полевые, направленные на определение характеристик атмосферного континуума. В результате были выявлены следующие свойства континуального поглощения:

1) Континуальное поглощение обнаруживается в огромном диапазоне частот электромагнитного излучения: от микроволнового до видимого; оно характеризуется плавной (нерезонансной) зависимостью от частоты. Наибольший относительный вклад в атмосферное поглощение континуум вносит в окнах относительной прозрачности атмосферы, расположенных в промежутках между вращательно-колебательными полосами водяного пара. Первоначальное объяснение природы избыточного поглощения вкладом дальних крыльев линий не нашло согласия с вновь полученными экспериментальными данными.

2) Наибольший вклад в атмосферный континуум вносит поглощение, обусловленное водяным паром. Оно включает в себя два слагаемых, одно из которых пропорционально квадрату парциального давления водяного пара, а второе - произведению парциальных давлений водяного пара и стороннего газа (азота, кислорода). Такая закономерность свидетельствует о связи континуума с парным взаимодействием молекул.

3) Квадратичная по влажности составляющая континуального поглощения характеризуется резко убывающей зависимостью от температуры. В работе [23] исследовалась такая зависимость в среднем ИК диапазоне. Она оказалась экспоненциально убывающей: коэффициент поглощения а ~ ехр (ЕЛ1Т), где II = 8,31 Дж/(мольК). Числитель в показателе экспоненты, полученный в этой работе, оказался близок к энергии диссоциации димера воды (3-5 кКал/моль). Это косвенным образом свидетельствовало в пользу димерного механизма континуума.

Впервые гипотеза, объясняющая континуум водяного пара поглощением излучения димерами воды, была выдвинута Викторовой и Жевакиным в 1966 г. [24]. Их расчёты димерного поглощения, полученные более 40 лет назад в работе [25], неплохо согласуются с современными ab-initio расчётами спектра димеров воды [13]. «Холодные» (при температурах несколько градусов Кельвина) спектры димеров воды были обнаружены и подробно исследованы в молекулярных пучках (см., например, [26,27]). Однако наблюдение спектральных особенностей димеров в равновесных условиях, близких к атмосферным, до последнего времени не удавалось в силу ряда причин: сложность спектра димеров, недостаток информации об этом спектре, малость амплитуды спектра димеров по сравнению со спектром мономеров, принципиальная близость колебательно-вращательных полос димеров и мономеров.

Кроме того, при определении вклада димеров воды в континуум необходимо учитывать, что часть димеров находится в метастабилыгом состоянии и проявляет себя иначе, нежели стабильные димеры [28]. Свой вклад в бимолекулярное поглощение вносят также свободные пары взаимодействующих молекул, не образующие димер. Надежное вычисление вкладов всех трех парных состояний - стабильных, метастабильных димеров и свободных пар, является весьма сложной задачей, но такой подход является наиболее универсальным и, возможно, позволит успешно характеризовать атмосферный континуум в широком диапазоне условий. В недавней работе [3] были сделаны следующие выводы: в среднем и дальнем ИК-диапазонах стабильные димеры ответственны за 20-40 % наблюдаемого континуума, остальное может быть отнесено к дальним крыльям линий и мегастабильным димерам, в ММ диапазоне вклад стабильных димеров в квадратичную по влажности составляющую континуума близок к 100 %. Последнее утверждение подтверждается сравнением наших экспериментальных результатов [4а] с ab-initio расчётом спектра димеров воды [13].

Хотя на сегодняшний день получены достаточно убедительные свидетельства в пользу димерного механизма континуума на основе анализа экспериментальных спектров ИК диапазона [3], результаты этих исследований не дают полной информации о вкладе стабильных и метастабильных димеров в континуум. Наличие большого количества факторов, оказывающих влияние на вид спектра в этом диапазоне и недостаточно развитая теоретическая модель, характеризующая поглощение стабильными и метастабильными димерами, усложняют теоретическую «расшифровку» спектра континуума. Более выгодным является наблюдение отдельных спектральных особенностей димеров в ММ диапазоне [6].

В § 3.2 приводится описание метода оценки содержания димеров и тримеров в водяном паре на основе анализа эталонных эмпирических данных, характеризующие зависимость плотности водяного пара от давления [29, 30], и приведены результаты такой оценки. Одной из целей выполненных

расчётов было построение модельной функции, описывающей температурную зависимость константы димеризации, которая хорошо согласуется с термодинамическими данными в диапазоне температур 273-1275 К и позволяет выполнять экстраполяцию в область более низких температур, что актуально для расчета вклада димеров в атмосферный континуум. Кроме того, насколько известно автору диссертации, впервые аналогичная зависимость получена для константы образования тримеров, концентрация которых ничтожно мала при обычных условиях, но чей вклад становится существенным при анализе высокотемпературных спектров воды [31]. Анализ таких спектров является ещё одним методом получения информации о вкладе димеров в атмосферное поглощение. Из проведенных оценок следует, что при температуре 300 К и концентрации водяного пара, соответствующей насыщению (8,54* 1017 см 3), максимальная концентрация димеров составляет 1,49><10'5 см-3, а максимальная концентрация тримеров -5,11x1012 см~3.

В § 3.3 представлен наиболее важный результат настоящей работы, полученный в результате экспериментального исследования спектра поглощения водяного пара при низком давлении в ММ диапазоне длин волн.

В работе [6] продемонстрирована принципиальная возможность экспериментального наблюдения серии димерных пиков, отвечающих вращательным переходам J+l <— J, К = 0, Ej с помощью резонаторного спектрометра в ММ диапазоне длин волн. Основное преимущество исследования спектра димеров воды в ММ диапазоне обусловлено относительно простым характером спектра мономеров в этом диапазоне, параметры линий которого известны с хорошей точностью. Согласно результатам ab-initio расчета спектра связанных димеров воды серия пиков, отвечающих вышеупомянутым переходам, будет отчетливо наблюдаться в спектре чистого водяного пара вблизи комнатной температуры при давлении пара порядка 60 % от давления насыщения в диапазоне частот 90 -200 ГГц с контрастом порядка 2 по отношению к квазишумовой составляющей спектра (которая отвечает всем остальным линиям димеров). Абсолютное значение разности между поглощением в пике и квазишумовой подставкой вблизи частоты 120 ГГц составляет порядка Ю-7 см-1, что достаточно для обнаружения пиков с помощью резонаторного спектрометра, вариационная чувствительность которого по коэффициенту поглощения составляет 4x10"9 см4 [1а].

Для практического осуществления эксперимента, который позволил выявить несколько последовательных димерных пиков в спектре поглощения водяного пара потребовалось создание новой экспериментальной установки на базе резонаторного спектрометра, позволившей изменять давление исследуемой газовой смеси в широких пределах - от десятых долей Торра до атмосферного. Для этой цели блок резонаторов Фабри - Перо помещен в барокамеру, оснащенную вакуумной системой для напуска и откачки газов.

Спектр водяного пара исследовался при температуре 296 К и давлении около 13 Торр. Был выбран диапазон частот 106-148 ГГц, включающий в себя несколько димерных пиков и свободный от сильных линий мономера. В этом частотном диапазоне была получена экспериментальная запись спектра поглощения водяного пара, включающая примерно 200 точек.

Для определения величины континуального поглощения из суммарного поглощения вычитался вклад линий мономера. Для расчета этого вклада использовались спектральные характеристики линий из общедоступной базы данных HITRAN 2008 [32]. При этом учитывался вклад только тех линий, резонансные частоты которых меньше 1000 ГГц. Был учтен вклад линий 5 наиболее распространенных изотопологов воды - Н16ОН, Н17ОН, Н18ОН, H16OD, D18OH. В исследуемом спектральном диапазоне существенный резонансный по характеру вклад в спектр водяного пара вносят только четыре линии - линия Н16ОН вблизи частоты 120,1 ГГц и три линии H16OD вблизи частот 120,9 ГГц, 138,6 ГГц и 143,8 ГГц.

Полученный спектр сравнивался с измеренной нами квадратичной по влажности составляющей континуума [4а], а также с ab-initio расчётом спектра стабильных димеров воды [13]. Такое сравнение показано на рис. 3. Также на этом рисунке показаны частоты переходов димеров ЛТ <— J, К = 0, Еь взятые из работы [33].

11Q '20 13С MC 150

Частота ¡!Тц!

Рис. 3. Слева', спектр континуального поглощения в водяном паре, измеренный в эксперименте (сплошная линия) и модельная функция, аппроксимирующая этот спектр (пунктирная жирная линия), вертикальными линиями показаны частоты переходов димеров J+1 J, К=0, Е|. Справа: квадратичная по влажности составляющая кон7инуума, рассчитанная на основе ранее полученных экспериментальных данных (пунктирная линия) и ab-initio расчёт спектра стабильных димеров воды, выполненный для Т = 296 К и рН20 = 13 Торр (сплошная линия)

На основе приведенных графиков можно сделать следующие выводы: 1) Наблюдается хорошее в целом количественное согласие (без учета пиков и других неоднородностей) между измеренным спектром, ab-initio расчётом и квадратичной по влажности составляющей континуума,

110 120 130 140 150

Частота [ГГЦ]

рассчитанной на основе ранее полученных экспериментальных данных [4а]. Некоторое отличие средней величины поглощения от результатов [4а] можно объяснить разным способом учета вклада мономеров.

2) Полученный спектр может быть аппроксимирован гладкой модельной функцией, имеющей достаточно широкие (порядка 1-2 ГГц) характерные локальные максимумы на частотах, отвечающих переходам димеров J+1 <— J, К~0, Е). При этом соответствующие частоты ab-initio расчётного спектра немного отличаются, что, по-видимому, объясняется неточностью задания поверхности потенциальной энергии, использованной для расчёта. Отношение сигнал-шум, с которым наблюдаются эти пики, достаточно мало (оно составляет около 4), но они могут быть уверенно идентифицированы и проанализированы при численной обработке спектра.

3) Контраст наблюдаемых в спектре пиков меньше, а их ширина больше по сравнению с пиками, наблюдаемыми в расчётном спектре.

Третий пункт нуждается в особом пояснении. Расчёт спектра димера [13] производился в приближении симметричного волчка. В реальности в основном колебательном состоянии димер является слабо асимметричным волчком. Наличие асимметрии приводит к расщеплению вращательных линий, что проявляется в дополнительном уширении наблюдаемых в эксперименте пиков. Несмотря на несоответствие ширины и амплитуды наблюдаемых димерньгх пиков результатам ab-initio расчёта, их интегральная интенсивность очень хорошо согласуется с этим расчётом. Это подтверждает правильный выбор значения константы димеризации при расчёте спектра (около 5,5-Ю-2 атм-1, см. [34]).

Хотя отношение сигнала к шуму в экспериментальном спектре достаточно низкое, тем не менее, отчётливо наблюдается совпадение центральных частот четырех подряд расположенных димерньгх пиков с результатами теоретических расчётов на основе данных, полученных при измерении спектров холодных молекулярных пучков [33]. Это позволяет однозначно утверждать о прямом наблюдении разрешенного вращательного спектра димеров воды в равновесных условиях.

В Заключении представлены наиболее важные результаты диссертационной работы:

1. Выполнены исследования диэлектрических параметров тонких полимерных пленок, используемых в качестве элементов связи резопаторного спектрометра. В частности, экспериментально - путём прямого измерения компонент тензора диэлектрической проницаемости - доказано наличие анизотропии тонких диэлектрических пленок. Для лавсановых и полиимидных плёнок обнаружена существенная зависимость диэлектрических параметров от влажности воздуха. В наименьшей степени такая зависимость свойственна тефлоновым плёнкам, поэтому их предпочтительно использовать в качестве плёнок связи при исследовании

поглощающих свойств влажных газов с целью минимизации возможных систематических ошибок.

2. Исследованы отражающие характеристики различных образцов -металлов, сплавов и покрытий, которые, в частности, могут применяться для изготовления зеркал резонаторного спектрометра. Показана нецелесообразность охлаждения зеркал резонатора ниже температуры приблизительно 60 К с целью уменьшения потерь на отражение для повышения чувствительности спектрометра, поскольку соответствующая температурная зависимость при этом выходит на режим насыщения.

3. Расширен рабочий диапазон частот резонаторного спектрометра, составлявший ранее 36-370 ГГц, на область частот 370-520 ГГц, что позволит в дальнейшем выполнять прецизионные исследования атмосферного континуума в СубММ диапазоне. Исследован спектр лабораторной атмосферы и ее основных составляющих в смеси с водяным паром в СубММ части рабочего диапазона частот спектрометра, с высокой точностью измерены спектроскопические параметры атмосферных линий в этом диапазоне. Полученные параметры позволяют уточнить модель распространения ММ и СубММ волн в атмосфере.

4. Впервые в лабораторных условиях исследовано континуальное поглощение при температуре ниже 0 °С в ММ диапазоне: выполнено лабораторное исследование континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в диапазоне частот 107-143 ГГц при атмосферном давлении в широком диапазоне температур от-12 °С до +55 °С. Определены параметры модельной функции, характеризующей континуальное поглощение в зависимости от температуры, давления и частоты электромагнитной волны.

5. Выполнен численный анализ эталонных эмпирических данных о термодинамических характеристиках водяного пара. На основе этого анализа произведена оценка максимально возможной концентрации димеров и тримеров в водяном паре в диапазоне температур 273-1275 К. Для тримеров такая оценка выполнена впервые.

6. Проведено экспериментальное исследование поглощения в водяном паре при низком давлении и комнатной температуре, что позволило впервые обнаружить разрешенные пики вращательного спектра димеров воды в равновесных условиях, близких к атмосферным. Полученный результат важен для определения вклада димеров в атмосферный континуум, создания физически обоснованной модели континуального поглощения и дальнейшего развития представлений о механизмах межмолекулярного взаимодействия в газах.

Основные публикации по теме диссертации

[la] Tretyakov M.Yu., Krupnov A.F., Koshelev M.A., Makarov D.S., Serov E.A., and Parshin V.V. Resonator spectrometer for precise broadband investigations of atmospheric absorption in discrete lines and water vapor related continuum in millimeter wave range. Review of Scientific Instruments. 2009, vol.80, 093106.

[2a] Паршин B.B., Третьяков М.Ю., Кошелев M.A., Серов Е.А. Аппаратурный комплекс и результаты прецизионных исследований распространения ММ и СубММ волн в конденсированных средах и атмосфере. Изв. ВУЗ-ов, «Радиофизика». 2009. Т. LII, № 8, с. 583-594

[За] Власов С.Н., Паршин В.В., Серов Е.А. Методы исследования тонких диэлектрических пленок в миллиметровом диапазоне. ЖТФ. 2010. Т. 80, №12, с. 73-79

[4а] Koshelev М.А., Serov Е.А., Parshin V.V., Tretyakov M.Yu. Millimeter wave continuum absorption in moist nitrogen at temperatures 261-328 K. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 112 (2011), 27042712.

[5a] Третьяков М.Ю., Серов Е.А. Одинцова Т.А. Равновесное термодинамическое состояние водяного пара и столкновительное взаимодействие молекул. Известия Вузов, «Радиофизика» Т. 54, № 10. с. 778-796, 2011.

[6а] Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Belov S.P., Golubiatnikov G.Yu., Parshin V.V., Koshelev M.A., Makarov D.S., Serov E.A. Accurate broadband rotational BWO-based spectroscopy. J Mol Spectr, 280 (2012) 110-118.

[7a] Parshin V.V., Tretyakov M.Yu., Koshelev M.A., Serov E.A., Modern resonator spectroscopy at submillimeter wavelengths, IEEE Sensors Journal vol. 13, Nol, 2013, pp. 18-23.

[8a] Tretyakov M.Yu., Koshelev M.A., Vilkov I.N., Parshin V.V., and Serov E.A. Resonator spectroscopy of the atmosphere in the 350-500 GHz range. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, vol. 114, 2013, 109-121.

[9a] Tretyakov M.Yu., Serov E.A., Koshelev M.A., Parshin V.V., and Krupnov A.F. Water Dimer Rotationally Resolved Millimeter-Wave Spectrum Observation at Room Temperature. PRL 110, 093001 (2013).

[10a] Vladimir Parshin, C.G.M. van't Klooster, E.A. Serov. Antenna Reflectors Reflectivity at 100 - 350 GHz and 80K. Proceedings of 30th ESA Antenna Workshop on Antennas for Earth Observation, Science, Telecommunication and Navigation Space Missions. ESA/ESTEC Noordwijk, The Netherlands May 27- 30, 2008. pp.353-357.

[11a] Паршин В.В., Серов Е.А. Метод измерения и диэлектрические параметры пленочных материалов для мм диапазона. Proc. 18-th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2008). Ukraine, pp. 753-754, 2008.

[12а] Власов С.Н., Паршин В.В., Серов Е.А. Исследование диэлектрических свойств пленочных материалов в миллиметровом диапазоне. Труды XIII научной конференции по радиофизике 7 мая 2009 г., ННГУ им. Лобачевского, с. 106-108.

[13а] Vladimir Parshin, Evgeny Serov, C.G.M. van 4 Klooster, Paolo Noschese. Resonator technique for reflectivity measurements. Results for measurements at high temperatures. Proc. 5th ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications & 31 st ESA Antenna Workshop., ESTEC, The Netherlands, pp. 593-600, 2009.

[14a] Паршин B.B., Серов E.A., Третьяков М.Ю., Шанин В.Н., Шкаев А.П. Резонаторные методы исследования нижней атмосферы. Труды IV Всероссийской научной школьг и конф. "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" 30 июня - 3 июля 2009, г. Муром, стр. 396400.

[15а] В.В.Паршин, Е.А.Серов, C.G.M. van't Klooster. Метод и результаты исследований отражательной способности ММ и СубММ антенн в интервале температур 80-900 К. Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2009. 27 июня - 1 июля 2009 года, Таганрог-Геленджик, 2009. стр. 53-57.

[16а] Одинцова Т.А., Ковалева Л.М., Кошелев М.А., Серов Е.А., Паршин В.В., Третьяков М.Ю. "Параметры континуального поглощения ММ/СубММ излучения в парах воды". Труды четырнадцатой научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, 7 мая 2010 г. С. 198199.

[17а] Serov Е.А., Koshelev М.А., Parshin V.V., Tretyakov M.Yu., "Atmosphere continuum absorption investigation at MM waves" Proc. 7th Int. Kharkov Symposium on Physics & Engineering of Microwaves, MM and SubMM Waves, Kharkov, Ukraine, W-7, 2010.

[18a] Паршин В.В., Серов Е.А. Резонаторные методы исследования газов и конденсированных сред в ММ и СубММ диапазонах. Proc. 20-th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMi-Co'2010). Ukraine, pp. 21-27,2010.

[19a] Серов E.A., Паршин В.В., Крупное А.Ф., Кошелев М.А., Третьяков М.Ю. Аппаратурный комплекс для прецизионного измерения поглощения ММ и СубММ волн атмосферными газами. Труды XIV Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (МАПАТЭ-2010), Н. Новгород, 2010, стр. 91-94.

[20а] Третьяков М.Ю., Серов Е.А., Одинцова Т.А. Равновесное термодинамическое состояние водяного пара и столкновительное взаимодействие молекул. Труды 15-й научной конференции но радиофизике, Нижний Новгород, 10-13 мая 2011 г. С. 142-144.

[21а] Паршин В.В., Кошелев М.А., Кукин JI.M., Серов Е.А., Третьяков М.Ю., Шанин В.Н., Андриянов А.Ф. Поглощение в 2-х ММ «окне прозрачности» атмосферы. Сборник Докладов 23-й Всероссийской Научной Конференции Распространение Радиоволн, Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 года, Т. 2. С. 65-68.

[22а] Serov Е.А., Koshclev М.А., Parshin V.V., Tretyakov M.Yu. "New Measurements of Atmospheric Continuum for Refinement of Millimeter Wave Propagation Models", in Proc. 6th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2012), Prague, Czech Republic, 2012, CM01.1.

[23a] V.V. Parshin, E.A. Serov, C.G.M. van't Klooster. "Precise Measurements of Materials and Media in the mm/sub-mm Ranges" in Proc. 6th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2012), Prague, Czech Republic, 2012, CM01.9.

[24a] Серов E.A., Паршин В.В., Кошелев М.А., Щитов, A.M., Шумилов В.А., Третьяков М.Ю. Современная резонаторная спектроскопия в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Шестнадцатая научная конференция по радиофизике, посвященная 100-летию со дня рождения А.Н. Бархатова. Нижний Новгород, 11-18 мая 2012 г.

[25а] Серов Е.А., Паршин В.В., Кошелев М.А., Третьяков М.Ю. Аппаратурный комплекс для прецизионного измерения поглощения ММ и СубММ волн атмосферными газами. Тезисы XIV Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (МАПАТЭ-2010), стр. 34.

[26а] Koshelev М.А., Serov Е.А., Parshin V.V., Tretyakov M.Yu. Millimiter-wave continuum absorption // The 21st International Conference on High Resolution Molecular Spectroscopy, September 7-11, 2010, Poznan, Poland, D4, p. 72.

[27a] Tretyakov M.Yu., Krupnov A.F., Koshelev M.A., Makarov D.S., Serov E.A., and Parshin V.V. Resonator spectrometer for precise study of atmospheric lines and continuum // The 21st International Conference on High Resolution Molecular Spectroscopy, September 7-11, 2010, Poznan, Poland, F6, p. 86.

[28a] Koshelev M.A., Serov E.A., Parshin V.V., Tretyakov M.Yu., and Makarov D.S. Millimeter Wave Continuum Absorption in Moist Nitrogen at temperatures 261-328 K, The 22nd Colloquium on High Resolution Molecular Spectroscopy, August 29 - September 2, 2011, Dijon, France, H23 p. 218.

[29а] Серов Е.А., Кошелев М.А., Паршин В.В., Третьяков М.Ю. Температурная зависимость параметров континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в миллиметровом диапазоне длин волн. VIII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Нижний Новгород, 1-4 марта 2011. С. 93.

[30а] Е.А.Серов, М.А.Кошелев, В.В.Паршин, М.Ю.Третьяков Экспериментальное исследование континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в миллиметровом диапазоне длин волн. Тезисы XV Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (САТЭП-2011), Борок,

2011, С. 52.

[31а] Tretyakov M.Yu., Serov Е.А., Koshelev M.A., Parshin V.V., and Krupnov A.F. Observation of the rotationally resolved millimeter-wave spectrum of the water dimer in equilibrium water vapor at ambient conditions. Abstracts of Reports XVII Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2012. July 2-7, Zelenogorsk near St. Petersburg. F4, p. 64,

2012.

[32a] Serov E.A., Koshelev M.A., Parshin V.V., and Tretyakov M.Yu. Water vapor continuum at millimeter wavelengths: new evidence of dominant contribution of water dimers. Abstracts of Reports XVII Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2012. July 2-7, Zelenogorsk near St. Petersburg. F4, p. 85, 2012.

[33a] Serov E.A., Koshelev M.A., Parshin V.V., Vilkov I.N., Tretyakov M.Yu., Schitov A.M., Shumilov V.A. Resonator spectroscopy of atmosphere in 350500 GHz range. Abstracts of Reports XVII Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2012. July 2-7, Zelenogorsk near St. Petersburg. F4, p. 86-87, 2012.

[34a] Odintsova T.A., Serov E.A., and Tretyakov M.Yu. Virial coefficients of water vapor thermodynamic state equation and equilibrium constants of small water clusters. Abstracts of Reports XVII Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2012. July 2-7, Zelenogorsk near St. Petersburg. F4, p. 140, 2012.

Список используемой литературы

[1] Trenberth К.Е., Fasullo J.T., Kiehl J. Earth's Global Energy Budget // Bull. Am. Met. Soc. 90, 2009, 311-324

[2] Trenberth K.E., Fasullo J.T., Kiehl J. Earth's Global Energy Budget // Bull. Am. Met. Soc. 90, 2009, 311-324

[3] Ptashnik I.V., Shine K.P., Vigasin A.A. Water vapour self-continuum and water aimers: 1. Analysis of recent work // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 112,2011,1286-1303

[4] Ma Q., Tipping R.H., Leforestier C. Temperature dependences of mechanisms responsible for the water-vapor continuum absorption. I, Far wings of allowed lines // J. Chem. Phys. 128, 2008, 124313

[5] Shine K.P., Ptashnik I.V., Radel G. The Water Vapour Continuum: Brief History and Recent Developments // Surv. Geophys. 33, 2012, 535-555

[6] Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Leforestier C. Possibilities of the observation of the discrete spectrum of the water dimer at equilibrium in millimeter-wave band /7 J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 109, 2009, 1286-1303

[7] Saykally R.J. Viewpoint: Simplest Water Cluster Leaves Behind its Spectral Fingerprint // Physics 6, 22 (2013), http://physics.aps.org/articles/v6/22

[8] Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Parshin V.V., Shanin V.N., Myasnikova S.E. Modern millimeter-wave resonator spectroscopy of broad lines. // J. Mol. Spectrosc. 202, 2000, 107-115

[9] Шанин В Н., Доровских B.B., Третьяков М.Ю., Паршин В.В., Шкаев А.П. Автоматизированный резонаторный спектрометр миллиметрового диапазона для исследования малого поглощения в газах // Приборы и техника эксперимента, 2003, №5, с. 1-7

[10]Кошелев М.А. Прецизионные измерения параметров молекулярных линий и параметризация континуального поглощения в мм/субмм диапазоне для атмосферных приложений: дис. к.ф.-м.н.; ИПФ РАН - Н.Новгород, 2005

[11] Абрикосов А. А. Основы теории металлов. -М.: Наука, 1987. - 520 с.

[12]Вигасин А.А., Членова Г.В. Вращательный спектр димеров (Н20)2 при атмосферных условиях // Изв. АН СССР Физика атмосферы и океана. 19, 1983, 703-708

[13]Scribano Y., Leforestier С. Contribution of water dimer absorption to the millimeter and far infrared atmospheric water continuum // J. Chem. Phys. 126, 2007, 234301

[14]Rosenkranz P.W. Water vapor microwave continuum absorption: A comparison of measurements and models // Radio Sci. 33, 1998, 919-928

[15]Liebe H.J. The atmospheric water vapor continuum below 300 GHz // Int. J. Infrared Millim. Waves. 5, 1984, 207-227

[16]Meshkov A.I., Dc Lucia F.C. Broadband absolute absorption measurements of atmospheric continua with millimeter wave cavity ringdown spectroscopy // Rev. Scientific Instr. 76, 2005, 083103

f 17] Кукин JI.M., Ноздрин Ю.Н., Рядов В.Я., Федосеев Л.И., Фурашов Н.И. Определение вклада мономеров и димеров водяного пара в атмосферное поглощение по данным измерений в диапазоне 1,15-1,55 мм // Радиотехника и электроника. 20, 1975, 2017-2026

[18]Kuhn Т., Bauer A., Godon М., Buhler S., Kunzi К. Water vapor continuum: absorption measurements at 350 GHz and model calculations // J. Quant. Spec-trosc. Radiat. Transfer. 74, 2002, 545-562

[19]Liebe H.J. MPM - an atmospheric millimeter-wave propagation model. Int. J. Infrared Millim. Waves, 10, 1989, 631-650

[20]Liebe H.J., Layton D.H. Millimeter-Wave Properties of the Atmosphere: Laboratory Studies and Propagation modeling // NTIA Report No 87-224, 1987

[21] Ma Q., Tipping R.H. A simple analytical parameterization for the water vapor millimeter wave foreign continuum // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 82, 2003,517-531

[22] Ptashnik I.V. Evidence for the contribution of water dimmers to the near-IR water vapour self-continuum // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 109, 2008, 831-852

[23] Varanasi P., Chou S., Penner S.S. Absorption coefficients for water in the 6001000 cm-1 region//J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 8, 1968, 1537-1541

[24] Викторова А.А., Жевакин С.А. Поглощение микрорадиоволн в воздухе димерами водяного пара ДАН СССР. 171, 1966, 1061-1064

[25] Викторова А.А., Жевакин С.А. Вращательный спектр димера водяного пара//ДАН СССР. 194, 1970, 291-294

[26] Dyke T.R., Mack К.М., Meunter J.S. The structure of water dimer from molecular beam electric resonance spectroscopy // J. Chem. Phys. 66, 1977, 498510

[27]Oduto!a J.A., Dyke T.R. Partially deuterated water dimers: microwave spectra and structure Hi. Chem. Phys. 72, 1980, 5062-5070

[28]Vigasin A.A. Bimolecular absorption in atmospheric gases. In: C. Camy-Peyret, A.A. Vigasin, eds. Weakly interacting molecular pairs: unconventional absorbers of radiation in the atmosphere. Netherlands: Kluwer Academic Publishers; 2003, 23-47

[29] Wagner W., Pruss A. The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use // J. Phys. Chem. Ref. Data. 31, 2002, 387-535

[30]NIST Chemistry WebBook, http://webbook.nist.gov/chemistry/

[31]Tretyakov M.Yu., Makarov D.S. Some consequences of high temperature water vapor spectroscopy: Water dimer at equilibrium // J. Chem. Phys. 134, 2011,084306

[32] Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Benner D.C., Bernath P.F., Birk M., et al. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 110, 2009, 533-572

[33]Крупнов А.Ф., Зобов Н.Ф. О возможности экспериментального наблюдения отдельных вращательных линий димера воды в равновесной газовой фазе // Оптика атмосферы и океана, 20,2007,772-775

[34]Scribano Y., Goldman N., Saykally R. J., and Leforestier C. Water Dimers in the Atmosphere III: Equilibrium Constant from a Flexible Potential, J PHYS CHEM A, V. 110, P. 5411-5419, 2006

СЕРОВ Евгений Александрович

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТИНУАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Автореферат

Подписано к печати 5.03.2013 г. Формат 60 х 90 '/,6. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 23(2013).

Отпечатано на ризографе в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Серов, Евгений Александрович, Нижний Новгород

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук

на правах рукописи

04201355741

СЕРОВ Евгений Александрович

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТИНУАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

01.04.03 - радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук Фейгин Александр Маркович

Нижний Новгород - 2013

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1: Резонаторный спектрометр как инструмент для прецизионного измерения спектра поглощения газов в ММ и СубММ диапазонах

§1.1 Резонаторный спектрометр на базе ЛОВ: устройство и принцип работы...............10

§1.2 Тонкие диэлектрические пленки как элемент связи резонатора

Фабри - Перо с квазиоптическим трактом............................................................19

§1.3 Характеристики отражающих свойств зеркал резонатора при

различных условиях........................................................................................22

§ 1.4 Расширение рабочего диапазона частот резонаторного спектрометра в СубММ часть спектра...................................................................................28

Глава 2: Экспериментальное исследование континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в диапазоне температур 261 - 328 К

§2.1 Анализ современного состояния исследуемой проблемы...................................33

§ 2.2 Методика исследования.............................................................................35

§ 2.3 Обработка первичных данных и анализ результатов........................................43

Глава 3: Физическая природа континуума

§3.1 Современные представления о физической природе континуума

и роли молекулярных комплексов в его формировании............................................57

§3.2 Оценка количества малых кластеров в водяном паре в равновесном состоянии

на основе анализа эмпирических данных о его термодинамических параметрах............67

§3.3 Экспериментальное исследование спектра поглощения водяного пара при

низком давлении в ММ диапазоне длин волн как способ прямого определения

вклада димеров воды в формирование континуума.................................................80

Заключение.................................................................................................94

Приложение 1..............................................................................................96

Приложение 2.............................................................................................100

Список литературы.....................................................................................103

Благодарности............................................................................................112

Введение

Актуальность работы. Вода присутствует на Земле во всех трех агрегатных состояниях и оказывает большое влияние на многие физические, химические и биологические процессы, происходящие на нашей планете. В частности, примерно на 60 % естественный парниковый эффект объясняется поглощением электромагнитного излучения водяным паром, присутствующим в атмосфере [1,2]. Климат планеты в значительной степени определяется именно содержанием водяного пара в атмосфере, климатические модели и прогнозы, создаваемые на их основе, крайне чувствительны по отношению к физическим свойствам водяного пара, в том числе к количественным характеристикам его спектра поглощения. Кроме наличия колебательных полос, содержащих множество резонансных линий, спектр водяного пара характеризуется наличием нерезонансного поглощения, которое плавно (по сравнению с резонансной частью) меняется с изменением частоты от микроволнового диапазона до видимого. Это поглощение, называемое континуальным, играет большую роль в климатическом балансе Земли в силу крайне широкого диапазона частот, в котором оно наблюдается. Кроме водяного пара, вклад в атмосферный континуум вносят и все другие молекулы, но в значительно меньшей степени. Это объясняется тем, что по своей природе континуальное поглощение связано с парным взаимодействием молекул, которое сильнее всего проявляется у молекул воды ввиду наличия межмолекулярных водородных связей.

Наибольший относительный вклад континуума в атмосферное поглощение наблюдается в окнах относительной прозрачности атмосферы, расположенных в промежутках между колебательно-вращательными полосами атмосферных газов. Если говорить о миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн, относящимся к области чисто вращательного спектра атмосферных молекул, то вклад континуального поглощения в микроокнах прозрачности (между линиями ГЬО и О2) может превышать суммарный вклад резонансных линий почти на порядок.

является тот факт, что континуальное поглощение обусловлено столкновительным взаимодействием молекул. В современной работе, посвященной исследованию этой тематики [3] предложено использовать термин «бимолекулярное поглощение» для обозначения континуума. В рамках такого подхода выделяют три механизма, ответственных за континуум. Континуальное поглощение обусловлено парными состояниями молекул воды - стабильными (связанными) димерами, метастабильными димерами и свободными парами молекул, не образующими димер, за счет возникновения наведенного дипольного момента при взаимодействии этих молекул (столкновительно-индуцированное поглощение). Другой подход к объяснению континуума - коррекция формы дальних крыльев резонансных линий [4], необходимость которой обусловлена нарушением приближения упругих столкновений. Вопрос об относительных вкладах перечисленных здесь механизмов на сегодняшний день не решен однозначно. Если в полосах поглощения ближнего ИК диапазона доминирующий вклад в континуальное поглощение стабильных и метастабильных димеров был показан в последние годы достаточно достоверно (см. обзор [3]), вопрос о природе континуума в окнах прозрачности атмосферы остается открытым. Это обусловлено как очень слабой величиной континуального поглощения в окнах прозрачности, так и не всегда достаточным количеством информации для выделения в континуальном спектре нескольких близких по характеру частотной зависимости составляющих при атмосферных условиях. Как было замечено в недавней обзорной работе, посвященной исследованиям континуального поглощения [5], несмотря на существенный прогресс, достигнутый в последние 30 лет, гораздо больше в исследованиях континуума ещё предстоит сделать. Одной из существенных проблем остается нехватка надежных экспериментальных данных, которые пролили бы больше света на физические механизмы, ответственные за континуум. Настоящая работа была направлена на получение таких данных.

Основной цслыо данной работы является получение новых прецизионных экспериментальных данных, характеризующих континуальное поглощение в ММ диапазоне длин волн. В частности, была поставлена задача исследования спектра поглощения водяного пара при низком давлении с целью выявления в нем спектральных особенностей (пиков) димеров воды. Поскольку по оценкам эти особенности должны быть достаточно слабовыраженными, потребовалось использовать спектрометр с высокой чувствительностью и широкой полосой спектрального анализа. Единственным типом спектрометров, удовлетворяющим этим требованиям в ММ диапазоне, является резонаторный спектрометр [6].

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения,

двух приложений и списка цитируемой литературы.

В первой главе диссертации приведено описание использовавшегося резонаторного спектрометра и принципа его работы. Также в этой главе содержатся результаты исследования особенностей элементов связи спектрометра (тонких диэлектрических пленок) и отражающих характеристик металлических зеркал. Эти исследования потребовались для достижения максимальной чувствительности и выбора оптимальной для исследования континуума конфигурации спектрометра. Кроме того, в первой главе представлены недавние результаты по расширению рабочего диапазона частот спектрометра до 520 ГГц, что открывает новые перспективы, в том числе, в исследованиях атмосферного континуума.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию континуального поглощение в смеси водяного пара с азотом при атмосферном давлении в широком диапазоне температур. Приведено подробное описание методики эксперимента, обработки и интерпретации результатов. Важной особенностью проведенного исследования являются новые экспериментальные данные, полученные при температурах реальной атмосферы ниже 20°С. В частности, впервые в лабораторных условиях исследовано континуальное поглощение при температуре ниже 0°С в ММ диапазоне. Выполнена численная параметризация экспериментальных данных, параметры модельной функции, характеризующей континуальное поглощение в зависимости от температуры, давления и частоты, определены с меньшей погрешностью по сравнению с предыдущими работами. Проведено обсуждение важности полученных результатов с точки зрения улучшения существующих моделей распространения электромагнитных волн в земной атмосфере и уменьшения ошибки, неизбежно возникающей при экстраполяции "высокотемпературных" лабораторных данных в область температур реальной атмосферы.

Третья глава включает обзорный параграф о современных представлениях по вопросу физической природы континуума. Также в этой главе представлены результаты численного анализа эмпирических данных о термодинамических характеристиках водяного пара и оценки на основе этого анализа концентрации димеров и тримеров в водяном паре. В заключительном параграфе третьей главы представлены результаты экспериментального исследования континуального поглощения в водяном паре при низком давлении. Это исследование позволило впервые обнаружить разрешенные пики вращательного спектра димеров воды в равновесном водяном паре при комнатной температуре в условиях, близких к атмосферным. Статистически достоверное наблюдение четырех последовательных пиков, частоты которых соответствуют расчётным значениям

вращательных переходов J+1 J, К= О, Е\ димеров воды, и совпадение интегральной интенсивности измеренного спектра с рассчитанной величиной впервые дало прямое подтверждение димерной природы континуума в ММ диапазоне.

Научная новизна работы заключается в следующем: получены новые прецизионные экспериментальные данные, характеризующие континуальное поглощение в ММ диапазоне длин волн. В частности, впервые в лабораторных условиях исследовано континуальное поглощение при температуре ниже 0°С. Определенные на основе экспериментальных данных параметры модельной функции, характеризующей континуальное поглощение, получены с меньшей погрешностью по сравнению с предыдущими работами. Этого удалось достичь, в частности, благодаря минимизации влияния систематической погрешности, обусловленной адсорбцией молекул воды на элементах спектрометра. На основе анализа эмпирических данных о термодинамических характеристиках водяного пара впервые получена оценочная зависимость константы тримеризации воды от температуры. В результате экспериментального исследования континуального поглощения в водяном паре при комнатной температуре и давлении около 13 Topp впервые идентифицированы разрешенные пики вращательного спектра димеров воды в равновесных условиях, близких к атмосферным. Статистически достоверное наблюдение четырех последовательных пиков, частоты которых соответствуют расчётным значениям вращательных переходов димеров воды, и совпадение интегральной интенсивности измеренного спектра с рассчитанной величиной впервые дало прямое подтверждение димерной природы континуума в ММ диапазоне.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные результаты важны для уточнения моделей распространения электромагнитных волн в атмосфере, которые используются для дистанционного зондирования окружающей среды, расчёта дальности действия средств связи, при наблюдении астрофизических объектов наземными средствами. Практическая ценность обусловлена, в том числе тем, что лабораторные исследования континуального поглощения проводились при низких температурах, характерных для реальной атмосферы (вплоть до -12°С). Важным для практических приложений результатом также является определение спектроскопических параметров линий атмосферных газов в диапазоне частот 350 - 500 ГГц. Некоторые из этих параметров определены впервые, другие - с меньшей погрешностью по сравнению с предшествующими результатами.

Основные положения. На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Резонаторный спектрометр может использоваться для прецизионного лабораторного исследования континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом

в миллиметровом диапазоне длин волн при температурах от -12°С до +55°С. Использование квазиоптического тракта для возбуждения резонатора и снятия отклика, активного умножителя частоты сигнала синтезатора с выходной частотой в диапазоне 75-110 ГГц для работы системы ФАПЧ и охлаждаемого болометра для детектирования сигнала позволяет расширить диапазон частот классического резонаторного спектрометра в субмиллиметровую область спектра до 520 ГГц. Данный резонаторный спектрометр может использоваться для прецизионного измерения спектроскопических параметров линий молекулярного кислорода и водяного пара в диапазоне частот 350 - 500 ГГц при атмосферном давлении.

3. Численный анализ эталонных эмпирических данных о термодинамических характеристиках водяного пара позволяет оценить максимально возможные концентрации димеров и тримеров в водяном паре в диапазоне температур 273 - 1275 К. Согласно этим оценкам, при температуре 300 К и концентрации водяного пара, соответствующей насыщению (8.54x1017 см"3), максимальная концентрация димеров составляет

| с _-J t 'У _Л

1.49x10 см , а максимальная концентрация тримеров-5.11x10 см .

Апробация представленных в работе результатов. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах ИПФ РАН, а также конференциях: 2008 30th ESA Antenna Workshop on Antennas for Earth Observation, Science, Telecommunication and Navigation Space Missions, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands; 18-я

Международная Крымская Конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2008), Севастополь, Украина.

2009 XIII научная конференция по радиофизике, ННГУ им. Лобачевского, Н.Новгород; 5th ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications & 31st ESA Antenna Workshop., ESTEC, Noordwijk, The Netherlands; Международная научная конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2009, Таганрог-Геленджик;

2010 XIV научная конференция по радиофизике, ННГУ им. Лобачевского, Н.Новгород; 7th Int. Kharkov Symposium on Physics & Engineering of Microwaves, MM and SubMM Waves, Kharkov, Ukraine; 20-я Международная Крымская Конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2010); 21st International Conference on High Resolution Molecular Spectroscopy, Poznan, Poland; XIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (МАПАТЭ-2010), Н. Новгород;