Прецизионные измерения параметров молекулярных линий и параметризация континуального поглощения в ММ/СУБММ диапазоне для атмосферных приложений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

КОШЕЛЕВ Максим Александрович

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЛИНИЙ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ КОНТИНУАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

В ММ/СУБММ ДИАПАЗОНЕ ДЛЯ АТМОСФЕРНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003052143

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Третьяков Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Зинченко Игорь Иванович,

доктор физико-математических наук Троицкий Аркадий Всеволодович.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится 2 апреля 2007 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 «_» марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совеч доктор физико-математических наук профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Одной из основных задач спектроскопии является исследование внутри- и межмолекулярного взаимодействия и определение характеристик спектральных линий (центральная частота, интенсивность, коэффициенты уширения и сдвига линий давлением различных газов, параметры столкно-вительной связи линий) и континуального поглощения. Решение этой задачи имеет как фундаментальное, так и прикладное значение, в частности, для дистанционного зондирования атмосферы Земли средствами наземного [1], бортового [2] и спутникового [3-5] базирования.

Исследования чувствительности методов дистанционного зондирования к точности используемых спектроскопических параметров линий, проведенные разными исследователями и опубликованные в литературе [6, 7] показывают, что ошибка лабораторных измерений коэффициентов уширения, превышающая 5%, становится доминирующей в суммарной ошибке определения параметров атмосферы из данных дистанционного зондирования. В то же время, для важных диагностических линий кислорода вблизи 118 ГГц и водяного пара вблизи 183 ГГц разброс значений коэффициента уширения давлением воздуха, полученных разными исследователями, составляет величину порядка 20% [5*] и 30% [1*] соответственно, что превышает заявленную точность каждого отдельного измерения и не удовлетворяет современным требованиям [7], предъявляемым к точности информации о параметрах линий. Аналогичная проблема возникает при рассмотрении континуального поглощения, играющего важную практическую роль для различных атмосферных приложений. Так, например, значения параметра континуального поглощения, характеризующего взаимодействие молекул воды друг с другом, и показатель его температурной зависимости, полученные в наиболее известных экспериментальных работах [8-10] в рамках модели Либе [8], отличаются примерно в два раза [8, 10].

Статистическая ошибка измерений, приводимая исследователями, не отображает истинную точность, с которой известен тот или иной параметр линии. Существенное влияние здесь оказывают систематические ошибки, связанные, в основном, с наличием у любого спектрометра аппаратной функции, от точности учета которой зависит конечная точность и надежность получаемой информации. Реальную ошибку знания того или иного параметра линий можно оценить из сравнения результатов исследований, проведенных различными лабораториями с использованием спектрометров различных типов и различных методов анализа. Одна из проблем, возникающих при этом, - недостаточное количество, а, зачастую, просто отсутствие повторных исследований параметров ряда диагностических линий, что не позволяет оценить истинную точность и достоверность используе-

мых данных [7]. Поэтому получение новой прецизионной информации о параметрах атмосферных линий и повышение точности уже имеющихся данных, чему и посвящена данная работа, в настоящее время является актуальной задачей экспериментальной физики, имеющей как фундаментальное, так и важнейшее прикладное значение.

В соответствии с вышесказанным основными целями и задачами настоящей работы являются

1) Разработка методики определения аппаратной функции комплекса спектрометров для увеличения точности и повышения надежности измерения характеристик спектральных линий и континуального поглощения.

2) Прецизионные исследования с помощью комплекса спектрометров характеристик спектральных линий кислорода и водяного пара мм/субмм диапазона.

3) Прецизионные исследования континуального поглощения мм/ субмм излучения в смеси водяного пара с азотом при разных значениях температуры и влажности образца и определение параметров континуума в рамках эмпирической модели Либе [8].

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными в ней результатами:

1. Предложены и применены методики экспериментального определения аппаратных функций комплекса спектрометров, основанные на замещении исследуемого образца газом, не поглощающим в данном диапазоне частот, что позволило более чем на порядок увеличить точность и повысить надежность измерения констант молекулярных линий.

2. С помощью комплекса спектрометров проведено исследование мм спектра молекулы кислорода, состоящего из переходов тонкой структуры. В широком диапазоне значений вращательного квантового числа N получен уточненный набор характеристик линий, включая центральные частоты, интенсивности, параметры уширения и границы сдвига линий давлением основных атмосферных газов (N2 и Ог), а также параметры интерференции линий первого порядка. Для линии кислорода N=1- вблизи 118 ГГц измерено значение температурного показателя параметра самоуширения. Впервые экспериментально показана необходимость учета интерференционной поправки 2-го порядка при расчете контура 60 ГГц полосы поглощения и получена количественная оценка величины этого эффекта. Набор эффективных молекулярных спектроскопических констант молекулы 1602 в основном электронно-колебательном состоянии, полученный в результате совместной обработки данных диссертационной работы со всеми известными ранее, является наиболее точным на сегодняшний день.

3. С помощью комплекса спектрометров получены уточненные значения параметров уширения и впервые измерены параметры сдвиг четырех

основных линий молекулы воды вблизи 183, 321, 325 и 380 ГГц давлением основных атмосферных газов (Н20, N2, 02). С помощью резонаторного спектрометра измерены значения интенсивностей линий воды вблизи 183 и 325 ГГц и показана возможность использования спектрометра в качестве измерителя объемной влажности образца с флуктуационной чувствительностью ~ 1 мг/м3, что особенно актуально в области низких влажностей (менее 1-2 г/и3).

4. С помощью резонаторного спектрометра впервые проведено исследование континуального поглощения в смеси паров воды и азота в диапазоне частот 110-210 ГГц при температурах около и ниже точки замерзания воды. В рамках эмпирической модели Либе определены параметры континуального поглощения, включая температурную зависимость его компонент.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации подтверждается хорошим согласием экспериментальных данных, полученных в диссертационной работе разными спектроскопическими методами исследования, отличающимися как методикой измерения, так и диапазоном рабочих давлений, а также согласием с результатами экспериментальных и теоретических исследований других авторов в тех случаях, когда это сравнение возможно.

Практическая значимость. Полученная в диссертационной работе информация о параметрах линий и континуального поглощения имеет важное фундаментальное значение для развития теории межмолекулярного взаимодействия и практическое значение для задач мониторинга атмосферы Земли, предсказания изменений климата и других приложений.

Уже в настоящее время полученные в диссертационной работе молекулярные константы используются в космической программе Европейского Космического Агенства MASTER (Millimeter-wave Acquisition for Stratosphere/Troposphere Exchange Research) [5] и международных базах атмосферных данных [11]. Значения констант, полученные при исследовании спектра кислорода, применены в новой версии программы МРМ [6*], созданной совместно с исследователями Массачусетского Института Технологий, США.

Личный вклад автора. Основная часть результатов, приведенных в диссертации, получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор активно участвовал в постановке задач, разработке и развитии методов исследования, получении и анализе экспериментальных данных и написании статей.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на 26-й международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (г. Тулуза, Франция), 17-й международной конференции по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (г. Прага, Чешская республика), 19-м коллоквиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (г. Саламанка, Испания), 3-м симпозиуме Европейского Космического Агентства по технологиям и приложениям мм волн (г. Еспу, Финляндия), 4-м международном симпозиуме по физике и технике миллиметровых и субмиллиметровых волн (г. Харьков, Украина), 16-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, Украина), 12-м международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (г. Томск), 9-й Всероссийской школе - семинаре «Физика и применение микроволн» (г. Звенигород), 14-м и 15-м международных симпозиумах по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (г. Красноярск, г. Нижний Новгород), 22-м и 23-м съездах по спектроскопии (г. Звенигород), 6-й, 7-й и 10-й нижегородских сессиях молодых ученых (г. Нижний Новгород), 5-й, 9-й и 10-й научных конференциях по радиофизике (г. Нижний Новгород), международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (г. Санкт-Петербург) и 20-й всероссийской конференции по распространению радиоволн (г. Нижний Новгород), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН.

Публикации.

По тематике диссертации автором опубликовано 39 работ, включая 9 статей в реферируемых российских и зарубежных научных журналах, 1 статью в сборнике статей НАТО и 29 тезисов докладов на российских и международных научных конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы - 153 страницы, рисунков - 57, таблиц - 9, библиография - 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования и научная новизна, приводится структура диссертационной работы.

В первой главе диссертации представлен обзор литературы по основным принципам моделирования поглощения мм/субмм излучения в атмосфере и необходимым для этого параметрам линий атмосферных молекул и континуального поглощения.

В параграфе 1.1 рассматриваются спектральные особенности основных составляющих атмосферы Земли - кислорода и водяного пара - дающих наибольший вклад в атмосферное поглощение мм/субмм излучения (рис. 1).

Частота (ГГц)

Рис. 1. Спектр атмосферного поглощения, рассчитанный по модели МРМ (Millimeter-wave Propagation Model) [б*] при атмосферном давлении, комнатной температуре и различных значениях влажности. Ось ординат приведена в логарифмическом масштабе. Спектр при нулевой влажности обусловлен линиями кислорода.

В параграфе 1.2 приводятся профили линий, соответствующие различным механизмам межмолекулярного взаимодействия и использующиеся для моделирования атмосферного поглощения. Рассматриваются эффекты уширения и сдвига линий давлением, а также эффект столкновительной связи (интерференции) линий, играющий важную роль в исследовании мм спектра кислорода, образованного переходами тонкой структуры молекулы.

В настоящее время не существует единой модели для профиля линии, подходящей для описания экспериментального контура для разных экспериментальных условий, поэтому на практике применяют различные контуры: Доплера, Лоренца, Фойгта, Ван Флека - Вейскопфа (ВФВ) и Розен-кранца (учитывающий в первом порядке столкновительную связь линий).

При этом для моделирования профиля атмосферного поглощения при заданных значениях температуры, давления и влажности требуется от 10 до 12 параметров для каждой линии, число которых варьируется в разных моделях от нескольких десятков до нескольких сотен. Точные значения параметров линий могут быть получены только экспериментально с помощью различных спектрометров, работающих при разных давлениях.

В параграфе 1.3 рассматривается вопрос континуального поглощения мм/субмм излучения в атмосфере, среди основных механизмов возникновения которого называют дальние крылья линий, димеризация воды и образование слабосвязанных комплексов типа вода-азот, вода-кислород и поглощение, индуцированное столкновениями типа азот-азот, азот-кислород, кислород-кислород. Существующие теоретические модели не позволяют описать континуум с достаточной для прикладных задач точностью во всем диапазоне метеоусловий, поэтому для этих целей используются эмпирические модели, например, модель Либе [8], построенная на приближении дальних крыльев линий, определенная для частот до 1 ТГц и включающая сравнительно небольшое число модельных параметров:

ac(v) = [cs_sP?®Xs-s + Cs_fPsPf®Xs-' + Cf_fP*ex" )• 03 • v2 .

Здесь Cs.s, Csj и Cf.f— эмпирические коэффициенты, отвечающие за взаимодействие между различными молекулами (5 - вода, /- N2, 02 или воздух); 0 = 300IT - безразмерная температура; Xs.s, X5_f и Xjif - соответствующие температурные показатели. Значения параметров континуального поглощения в рамках используемой модели могут быть получены с высокой точностью только в лабораторных исследованиях.

Во второй главе приводится описание комплекса спектрометров, применяемого в данной работе, и методик экспериментального исследования спектральных линий и континуального поглощения, основные характеристики и сравнение с существующими мировыми аналогами.

В параграфе 2.2 рассматривается принцип действия и особенности спектрометра с радиоакустическим детектированием сигнала поглощения (спектрометр РАД), работающего при низких давлениях образца от сотен миллиторр до нескольких Topp. Блок-схема спектрометра приведена на рис. 2.

Одно из преимуществ спектрометра РАД перед другими спектрометрами заключается в том, что в нем реализована близость к «нулевому» принципу приема и в первом порядке аппаратная функция отсутствует. Однако в спектрометре РАД, как и в любом другом спектрометре, полностью избавиться от аппаратных эффектов не удается. Это связано с несколькими факторами.

Рис. 2. Блок-схема спектрометра РАД

Во-первых, зависимость мощности излучения ЛОВ от частоты, входящая как множитель в выражение для выходного сигнала спектрометра, не известна. Кроме того, интерференция в СВЧ тракте заметно усложняет эту зависимость, которая меняется при изменении положения ЛОВ и поглощающей ячейки спектрометра друг относительно друга. Для учета зависимости мощности излучения от частоты в узком диапазоне частот (много меньшем характерного масштаба неравномерности мощности излучения с частотой) используется разложение функции мощности в ряд по частоте отстройки от центра линии (V - у0)> ограничиваясь первыми двумя слагаемыми. В параграфе 2.2 делаются оценки и указываются границы применимости такого разложения исходя из характерных пространственных масштабов (расстояние между рупорами ЛОВ и ячейки, расстояние между окнами ячейки). При увеличении диапазона рассматриваемых частот такое разложение функции в ряд перестает работать. Это накладывает дополнительные условия на ширину записи линии и, соответственно, на диапазон рабочих давлений спектрометра, однако никак не ограничивает возможности спектрометра РАД для прецизионного исследования параметров спектральных линий.

Следующим аппаратным фактором, влияющим на точность определения параметров линий, является поглощение излучения в элементах ячейки, например, в тефлоновых окнах толщиной несколько миллиметров, играющих в этом случае роль точечных приемников. Особенно заметно этот эффект проявляется в мм области, когда длина волны сравнима или больше толщины окна. Тогда величина поглощенной мощности зависит от распре-

деления поля стоячей волны в месте расположения окна. В результате соударения молекул газа с окнами ячейки, поглотившими часть мощности излучения, происходит вторичный разогрев газа, а, следовательно, колебания давления на частоте модуляции, которые также фиксируются мембраной и детектируются синхронным детектором. Этот сигнал аппаратной функции, называемый еще базовой линией, складывается с сигналом поглощения в газе, поэтому будем его называть аддитивной частью аппаратной функции спектрометра РАД.

В параграфе 2.2 предлагается экспериментальная методика учета аддитивной части аппаратной функции спектрометра, основанная на замещении исследуемого образца газом, не поглощающим в данном диапазоне частот, с повторной записью участка спектра. Детальный анализ аддитивной части аппаратной функции, приведенный в разделе 2.2.2, позволил получить зависимость коэффициента ее пересчета от одного давления к другому, которая отображает свойства данной ячейки и конкретного звукопередающего газа и не зависит от мощности излучения и интерференции в тракте. Это значительно упрощает метод экспериментального учета аппаратной функции, т.к. в каждом конкретном измерении необходимо получить всего две (в начале и в конце эксперимента) записи аппаратной функции, которую с помощью универсальной для данной ячейки функции можно пересчитать к другому давлению. Применение данной методики для исследования характеристик спектральных линий (особенно слабых) позволяет на порядок повысить точность получаемой информации.

В параграфе 2.3 изложен принцип работы резонаторного спектрометра, входящего в состав комплекса и используемого для измерения абсолютного профиля поглощения при атмосферном давлении. Блок-схема спектрометра приведена на рис. 3. Отличительной особенностью резонаторного спектрометра является быстрое прецизионное сканирование частоты источника излучения. Это достигается использованием двух опорных синтезаторов в кольце ФАПЧ: микроволнового синтезатора (8-18 ГГц) для задания центральной частоты ЛОВ и быстрого (время переключения частоты ~ 200 не) радиочастотного синтезатора прямого синтеза (СПС) диапазона 20^40 МГц, который обеспечивает сканирование частоты ЛОВ без потери фазы колебаний с минимальным шагом по частоте 0.03 Гц. Минимальное время между шагами по частоте определяется возможностями управляющего микропроцессора и на данном этапе развития экспериментальной установки составляет 58 мкс. Применение быстрого СПС для сканирования частоты ЛОВ позволяет существенно сократить время записи резонансной кривой и минимизировать тем самым ошибку определения ширины резонансной кривой, связанную с дрейфом его центральной частоты за время записи вследствие изменения параметров окружающей среды.

Рис. 3. Блок-схема резонаторного спектрометра

Поглощение в образце, заполняющем резонатор Фабри - Перо, определяется на каждой собственной моде резонатора через ширину резонансной кривой. Для определения собственных потерь в резонаторе (аппаратной функции) использовалась методика, приведенная в разделе 2.3.2, суть которой заключается в повторной записи резонансной кривой резонатора, заполненного не поглощающим в данном диапазоне частот газом, например, азотом.

В разделе 2.3.4 приводятся основные характеристики резонаторного спектрометра, и проводится сравнение с существующими мировыми аналогами.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию характеристик линий тонкой структуры кислорода с помощью комплекса спектрометров и методик экспериментального учета аппаратных функций спектрометров, описание которых приведено во второй главе:

• На спектрометре РАД при низком давлении, когда все линии 60 ГГц полосы разрешаются, измеряются центральные частоты, параметры ушире-ния и сдвига линий давлением азота и кислорода и строится их зависимость от вращательного квантового числа N.

• Проводится обработка полученных центральных частот линий совместно со всеми известными ранее данными по вращательным переходам молекулы кислорода микроволнового и инфракрасного диапазонов. Определяется набор эффективных молекулярных спектроскопических констант молекулы 1602 в основном электронно-колебательном состоянии.

• На резонаторном спектрометре при атмосферном давлении исследуются характеристики важной атмосферной диагностической линии кислорода N= 1- вблизи 118 ГГц: параметры уширения и сдвига линии давлением азота, кислорода и воздуха, коэффициент столкновительной связи линии с переходами 60 ГГц полосы, интенсивность линии, а также их температурные зависимости.

• Исследуется эффект столкновительной связи линий кислородной полосы вблизи 60 ГГц. В рамках модели Розенкранца для контура взаимодействующих линий определяются значения коэффициентов связи линий 1-го порядка, используя запись 60 ГГц полосы, полученную на резонаторном спектрометре при атмосферном давлении в чистом кислороде и сухом воздухе и измеренные при низком давлении на спектрометре РАД параметры уширения и сдвига линий тонкой структуры молекулы кислорода. Анализируются и учитываются факторы, связанные как с используемыми экспериментальными методами, так и с методиками обработки данных.

• Обсуждается точность и достоверность полученных параметров, проводится сравнение с результатами предшествующих экспериментальных и теоретических работ.

Четвертая глава посвящена исследованию поглощения мм/субмм излучения в водяном паре, которое формально можно разделить на поглощение в резонансных линиях воды и континуальное поглощение.

В параграфе 4.2 приводятся результаты исследования с помощью комплекса спектрометров четырех основных резонансных линий молекулы Н2,бО J' - JK = З,,3 - 22,о, 102i9 - 93 6, 5,,5 - 42,2 и 4М - 32>1 вблизи 183,

321,. 325 и 380 ГГц соответственно, дающих наибольший вклад в общий профиль поглощения излучения в водяном паре в этом диапазоне частот. Проводится сравнение полученных параметров линий с результатами предшествующих экспериментальных и теоретических исследований, анализируются ошибки и делаются выводы о точности и достоверности полученных параметров линий.

В параграфе 4.3 приведено описание методики выделения континуума из экспериментальных записей суммарного спектра поглощения смеси водяного пара и азота, полученных с помощью резонаторного спектрометра при атмосферном давлении и двух значениях температуры образца: комнатной и около точки замерзания воды. Используются две модели для расчета резонансного поглощения в линиях водяного пара: модель Либе [12] и модель Розенкранца [13], отличающиеся профилем линии и числом учитываемых переходов Н20. Проводится сравнение с наиболее известными экспериментальными результатами исследования континуума при температурах, выше комнатной [8,9], а также некоторыми теоретическими расчетами [14]. В параграфе 4.3.3 анализируются возможные причины «усиления» температурной зависимости в области низких температур по сравнению с

результатами высокотемпературных измерений других исследователей. Одной из причин такого эффекта называется сама методика измерения поглощения на резонаторном спектрометре, связанная с «осушением» резонатора для получения аппаратной функции спектрометра. Предлагается использовать метод вариации длины резонатора для экспериментального исследования континуального поглощения на резонаторном спектрометре, исключающий ряд систематических ошибок, в том числе, связанных с осаждением воды на поверхности зеркал.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Проанализированы аппаратные функции комплекса спектрометров, использовавшегося для прецизионного измерения параметров атмосферных линий и континуального поглощения мм/субмм диапазона при различных значениях давления и температуры исследуемых образцов. Предложены и применены методики экспериментального определения аппаратных функций спектрометров, основанные на замещении исследуемого образца газом, не поглощающим в данном диапазоне частот, позволившие более чем на порядок увеличить точность и повысить надежность измерения констант молекулярных линий.

2. С помощью комплекса спектрометров измерены константы мм спектра молекулы кислорода:

- При низком давлении измерены параметры уширения и впервые установлена количественная верхняя граница сдвига линий тонкой структуры давлением кислорода, азота и воздуха в широком диапазоне значений вращательного квантового числа N. Полученные данные обладают на сегодняшний день наилучшей точностью

- Прецизионное измерение центров кислородных линий на спектрометре РАД позволило в среднем на 60% улучшить точность определения констант спин-спинового и спин-орбитального взаимодействий. Набор эффективных молекулярных спектроскопических констант молекулы 1 02 в основном электронно-колебательном состоянии, полученный в результате совместной обработки данных диссертационной работы со всеми известными ранее, является наиболее точным на сегодняшний день.

- Используя прецизионные параметры уширения и сдвига линий тонкой структуры молекулы кислорода, измеренные на спектрометре РАД, и запись 60 ГГц полосы, полученную на резонаторном спектрометре при атмосферном давлении в чистом кислороде и сухом воздухе, уточнены значения коэффициентов интерференции 1-го порядка для этих линий. Впервые экспериментально показана необходимость учета интерференционной поправки 2-го порядка при расчете контура полосы поглощения и получена количественная оценка величины этого эффекта.

— С помощью резонаторного спектрометра проведено исследование температурных зависимостей характеристик важной атмосферной диагностической линии N=1- вблизи 118 ГГц. В результате подтверждены границы самосдвига центра линии, измерена интенсивность и уточнено значение параметра температурной зависимости самоуширения. Впервые измерена величина параметра интерференции 1-го порядка, характеризующего связь этой линии с переходами 60 ГГц полосы.

3. С помощью комплекса спектрометров проведено лабораторное исследование поглощения мм/субмм излучения в водяном паре, в результате чего получены уточненные значения параметров уширения и впервые измерены параметры сдвига линий Н20 З1>3 - 22>о, 102,9 - 9з,б, 5tis - 42i2 и - 32,i вблизи 183, 321, 325 и 380 ГГц давлением основных атмосферных газов (Н20, 02, N2). С помощью резонаторного спектрометра измерены значения интенсивностей линий воды вблизи 183 и 325 ГГц и показана возможность использования спектрометра в качестве измерителя объемной влажности образца с флуктуационной чувствительностью ~ 1 мг/м3, что особенно актуально в области низких влажностей (менее 1-2 г/м3).

4. Проведено исследование континуального поглощения в смеси паров воды и азота в диапазоне частот 110-210 ГГц с помощью резонаторного спектрометра. Количественные широкодиапазонные измерения континуального поглощения излучения такой смесью в указанной области частот и при температурах около и ниже точки "замерзания воды проведены впервые. В рамках используемой эмпирической модели определены параметры континуального поглощения, включая температурную зависимость его компонент, и проанализированы возможные причины «усиления» температурной зависимости в области низких температур по сравнению с результатами высокотемпературных измерений других исследователей.

Список цитированной литературы

1. E.R. Westwater, S. Creweil and Ch. Mätzler, Surface-based Microwave and Millimeter wave Radiometric Remote Sensing of the Troposphere: a Tutorial. // IEEE Geosciences and Remote Sensing Newsletter, 2005, 134.

2. R.V. Leslie, Geophysical Parameter Estimation with a Passive Microwave Spectrometer at 54/118/183/425 GHz, PhD. Thesis, 2004, http://rseg.mit.edu

3. J.R. Pardo, M. Ridai, D. Murtagh, and J. Cernicharo, Microwave temperature and pressure measurements with the Odin satellite: I. Observational method. // Can. J. Phys., V. 80, 2002,443^54.

4. J.W. Waters, et al., The Earth Observing System Microwave Limb Sounder (EOS MLS) on the Aura satellite, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 44, 2006,1075-1092.

5. A. Perrin, С. Puzzarini, J.-M. Colmont, С. Verdes, G. Wlodarczak, G. Caz-zoli, S. Buehler, J.-M. Flaud and J. Demaison, Molecular Line Parameters for the "MASTER" (Millimeter Wave Acquisitions for Stratosphere/Troposphere Exchange Research) Database // J. Atmospheric Chemistry, 51, 2005, 161-205.

6. S. Payan, J. de La Noe, A. Hauchecorne, C. Camy-Peyret, A review of remote sensing techniques and related spectroscopy problems // C.R. Physique 6, 2005, 825-835.

7. C.L. Verdes, S.A. Buehler, A. Perrin, J.-M. Flaud, J. Demaison, G. Wlodarczak, J.-M. Colmont, G. Cazzoli, C. Puzzarini, A sensitivity study on spectroscopic parameter accuracies for a mm/sub-mm limb sounder instrument, // J. Molec. Spectrosc., 229, 2005, 266-275.

8. H.J. Liebe, The atmospheric water vapor continuum below 300 GHz // Int. J. Infrared Millimeter Waves 5, 1984, 207.

9. T. Kuhn, A. Bauer, M. Godon, S. Buehler, K. Kuenzi, Water vapor continuum: absorption measurements at 350 GHz and model calculations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 74, 2002, 545-562.

10. V.B. Podobedov, D.F. Plusquellic, G.T. Fraser, Investigation of the water-vapor continuum in the THz region using a multipass cell // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 91, 2005, 287-295.

11. L.S. Rothman, N. Jacquinet-Husson, Christian Boulet, A.M. Perrin // C.R. Physique 6, 2005, 897-907.

12. H.J. Liebe, G.A. Hufford, M.G. Cotton, Propagation modeling of moist air and suspended water/ice particles at frequencies below 1000 GHz // Proceedings of the AGARD 52nd Specialists Meeting of the Electromagnetic Wave Propagation Panel, Palma de Mallorca, Spain, 1993.

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

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

Список основных публикаций по теме диссертации

1*. M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, M.A. Koshelev, V.N. Shanin, S.E. Myas-nikova, A.F. Krupnov, Laboratory Studies of 183 GHz Water Line: Broadening and Shifting by Air, N2 and 02 and Integral Intensity Measurements. // J. Molec. Spectrosc., V. 218, № 2, 2003,239—245.

2*. M. Yu. Tretyakov, G. Yu Golubiatnikov, V.V. Parshin, M.A. Koshelev, S.E. Myasnikova, A.F. Krupnov and P.W. Rosenkranz, Experimental Study of Line Mixing Coefficient for 118.75 GHz Oxygen Line // J. Molec. Spectrosc. 223,2004,31-38.

3*. М.А. Кошелев, А.Ф. Крупное, С.Е. Мясникова, В.В. Паршин, М.Ю. Третьяков, В.В. Шанин, Лабораторное исследование линии кислорода у 118 ГГц в реальной атмосфере методом микроволновой резонатор-ной спектроскопии // Тезисы докладов XXII съезда по спектроскопии, Звенигород, Моск.обл., 8-12 октября, 2001 г. С. 116.

4*. M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, М.А. Koshelev, A.P. Shkaev, A.F. Krup-nov, Extension of the Range of Resonator Scanning Spectrometer into Submillimeter Band and Some Perspectives of Its FuitheT Developments // J. Molec. Spectrosc. 238, 2006, 91-97.

5*. G. Yu. Golubiatnikov, M.A. Koshelev and A.F. Krupnov, Reinvestigation of Pressure Broadening Parameters at 60-GHz Band and Single 118.75 GHz Oxygen at Room Temperature // J. Molec. Spectrosc. 222, 2003, 191— 197.

6*. M.Yu. Tretyakov, M.A. Koshelev, V.V. Dorovskikh, D.S. Makarov, and P.W. Rosenkranz, 60-GHz oxygen band: precise broadening and central frequencies of fine structure lines, absolute absorption profile at atmospheric pressure, revision of mixing coefficients // J. Molec. Spectrosc. 231, 2005,1-14.

7*. М.А. Кошелев, А.Ф. Крупное, М.Ю. Третьяков, В.В. Паршин, С.Е. Мясникова, В.Н. Шанин, В.В. Доровских, Прецизионные исследования атмосферной линии поглощения водяного пара 183 ГГц // Международный Симпозиум Стран СНГ «Атмосферная радиация», г. Санкт-Петербург, 18-21 июня, 2002 г. С. 87.

8*. M.Yu. Tretyakov, М.А. Koshelev, LA. Koval, V.V. Parshin, L.M. Kukin, L.I. Fedoseev, Yu.A. Dryagin, A.F. Andriyanov, Temperature dependence of pressure broadening of 1- oxygen line at 118.75 GHz // J. Molec. Spectrosc., 241, 2007, 109-111.

9* М.А. Кошелев, М.Ю. Третьяков, А.Ф. Крупное, В.В. Паршин, С.Е. Мясникова, Применение микроволнового резонаторного спектрометра для исследования атмосферы // IX Всероссийская школа - семинар «Физика и применение микроволн», Звенигород, Московская обл., 2630 мая, 2003 г. С. 123-124.

10*. М.А. Koshelev, M.Yu. Tretyakov, G.Yu. Golubiatnikov, V.V. Parshin, V.N. Markov, I.A. Koval, Broadening and Shifting of the 321-, 325- and 380-GHz Lines of Water Vapor by Pressure of Atmospheric Gases // J. Molec. Spectrosc. 241, 2007, 101-108.

11*. М.Ю. Третьяков, М.А. Кошелев, И.А. Коваль, В.В. Паршин, Ю.А. Дрягин, Л.М. Кукин, Л.И. Федосеев // Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом в диапазоне 100-210 ГГц, Оптика атмосферы и океана, 20(2), 2007,101-105.

12*. M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, V.N. Shanin, S.E. Myasnikova, M.A. Koshelev, A.F. Krupnov. Real Atmosphere Laboratory Measurement of the

118-GHz Oxygen Line: Shape, Shift, and Broadening of the Line // J. Molec. Spectrosc., V. 208,No.l, 2001, 110-112.

13*. M.A. Кошелев, М.Ю. Третьяков, Ю.В. Зайцев, В.И. Романова, Сдвиг и уширение линии молекулы Н20 на частоте 325 ГГц давлением основных атмосферных газов // Труды 10 Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2006.

14*. M.A. Koshelev, M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, I.A. Koval, The 325-GHz water vapor line: broadening, shifting and integrated intensity // XV International Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy, July 1821, 2006, Nizhnii Novgorod, Russia, 122.

15*. A.A. Shvetsov, M.Yu. Tretyakov, M.A. Koshelev, A.F. Krupnov, V.V. Parshin, Resonator Spectroscopy as a new method of investigation of unconventional millimeter-wave atmospheric absorbers, In book: C. Camy-Peyret and A.Vigasin (eds), "Weakly Interacting Molecular Pairs: Unconventional Absorbers of Radiation in the Atmosphere", NATO Science Series, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, Vol IV/27, 2003, 239-246.

16*. И.А. Коваль, M.A. Кошелев, М.Ю. Третьяков, JI.M. Кукин, Л.И. Федосеев, В.В. Паршин, Ю.А. Дрягин, А.Ф. Андриянов, Температурная зависимость столкновительных параметров линии кислорода у 118 ГГц // Труды 10 Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2006.

Оглавление диссертации

Введение....................................................................................................4

Глава 1. Моделирование поглощения мм/субмм излучения в земной атмосфере и необходимые параметры молекулярных линий атмосферных газов

1.1 Спектр атмосферного поглощения..........................................14

1.2 Профиль поглощения: форма и параметры линии ................18

1.3 Континуальное поглощение......................................................31

1.4 Выводы ......................................................................................35

Глава 2. Спектрометры низкого и высокого давления

2.1 Введение......................................................................................36

2.2 Спектрометр РАД......................................................................39

2.2.1 Устройство и принцип работы спектрометра....................39

2.2.2 Аппаратная функция спектрометра......................................42

2.2.3 Характеристики спектрометра .................... 53

2.3 Резонаторный спектрометр......................................................58

2.3.1 Устройство и принцип работы спектрометра......................58

2.3.2 Принцип измерения поглощения..........................................62

2.3.3 Особенности работы спектрометра в субмм диапазоне .. 67

2.3.4 Характеристики спектрометра и сравнение с существующими мировыми аналогами......................................................69

2.4 Выводы......................................................................................71

Глава 3. Спектр молекулы кислорода

3.1 Введение......................................................................................72

3.2 Параметры линий тонкой структуры кислорода....................74

3.2.1 Уширение линий давлением 02, N2 и воздуха....................74

3.2.1.1 Исследование при низком давлении..........................74

3.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении ..............73

3.2.2 Сдвиг линий давлением........................................................88

3.2.3 Центральные частоты линий и молекулярные константы 90

3.2.4 Интенсивность линий............................................................94

3.2.5 Параметры интерференции линий ......................................95

3.2.6 Температурная зависимость параметров линии N= 1-... 108

3.3 Выводы........................................................................................111

Глава 4. Поглощение мм/субмм излучения в водяном паре: параметры линий и континуума

4.1 Введение ....................................................................................112

4.2 Параметры линий воды субмм диапазона................................114

4.2.1 Уширение и сдвиг линий давлением Ог, N2 и воздуха.... 114

4.2.1.1 Исследование при низком давлении ........................114

4.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении..............122

4.2.2 Интенсивность линий............................................................125

4.3 Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом ..........................................................................................................126

4.3.1 Эксперимент при комнатной температуре..........................126

4.3.2 Эксперимент при низких температурах..............................130

4.3.3 Анализ полученных данных ................................................132

4.4 Выводы ......................................................................................137

Заключение................................................................................................138

Библиография ..........................................................................................140

Кошелев Максим Александрович

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЛИНИЙ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ КОНТИНУАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ В ММ/СУБММ ДИАПАЗОНЕ ДЛЯ АТМОСФЕРНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Автореферат

Подписано в печать 21.02 2007 Формат 60 х 90 '/|6. Бумага офсетная № 1. Уч.-изд. л. 1,0. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 16 (2007)

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

Введение.

Глава 1. Моделирование поглощения мм/субмм излучения в земной атмосфере и необходимые параметры молекулярных линий атмосферных газов

1.1 Спектр атмосферного поглощения.

1.2 Профиль поглощения: форма и параметры линии.

1.3 Континуальное поглощение.

1.4 Выводы.

Глава 2. Спектрометры низкого и высокого давления

2.1 Введение.

2.2 Спектрометр РАД.

2.2.1 Устройство и принцип работы спектрометра.

2.2.2 Аппаратная функция спектрометра.

2.2.3 Характеристики спектрометра.

2.3 Резонаторный спектрометр.

2.3.1 Устройство и принцип работы спектрометра.

2.3.2 Принцип измерения поглощения.

2.3.3 Особенности работы спектрометра в субмм диапазоне.

2.3.4 Характеристики спектрометра и сравнение с существующими мировыми аналогами.

2.4 Выводы.

Глава 3. Спектр молекулы кислорода

3.1 Введение.

3.2 Параметры линий тонкой структуры кислорода.

3.2.1 Уширение линий давлением Ог, N2 и воздуха.

3.2.1.1 Исследование при низком давлении.

3.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении.

3.2.2 Сдвиг линий давлением.

3.2.3 Центральные частоты линий и молекулярные константы.

3.2.4 Интенсивность линий.

3.2.5 Параметры интерференции линий

3.2.6 Температурная зависимость параметров линии N = 1-.

3.3 Выводы.

Глава 4. Поглощение мм/субмм излучения в водяном паре: параметры линий и континуума

4.1 Введение.

4.2 Параметры линий воды субмм диапазона.

4.2.1 Уширение и сдвиг линий давлением Ог, N2 и воздуха.

4.2.1.1 Исследование при низком давлении.

4.2.1.2 Исследование при атмосферном давлении.

4.2.2 Интенсивность линий.

4.3 Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом.

4.3 Л Эксперимент при комнатной температуре.

4.3.2 Эксперимент при низких температурах.

4.3.3 Анализ полученных данных

4.4 Выводы.

Глобальный мониторинг атмосферы Земли, получение данных для прогнозирования погоды и предсказания изменений климата, дистанционное зондирование влажности почвы, солености поверхности океана и пр. осуществляются, в конечном счете, с помощью микроволновых и инфракрасных (ИК) радиометрических измерений. Для этих целей используется различная техника (рис. 1), базирующаяся как на наземных станциях [1], так и на летательных аппаратах (например, ER2 и Proteus [2]) и искусственных спутниках Земли (ODIN [3], EOS MLS [4], MASTER [5] и др.) и спектральные линии различных газов, в том числе миллиметрового (мм) и субмиллиметрового (субмм) диапазонов длин волн. Так, например, для восстановления вертикального профиля температуры атмосферы используются как мм переходы тонкой структуры молекулы кислорода вблизи 60 и 118 ГГц, так и чисто вращательные субмм переходы на частотах 487.2 и 2502.3 ГГц. Для определения профиля влажности атмосферы Земли разными инструментами используются вращательные переходы молекулы Н2160 мм и субмм диапазонов на частотах 22.2, 183.3, 325.1, 380.2 ГГц и др. Кроме того, для задач дистанционного зондирования [6] необходимо знание так называемого континуального поглощения водяного пара в смеси с азотом и кислородом, что представляет собой отдельную физическую проблему.

Для интерпретации наблюдающихся со спутника сложных профилей атмосферных линий необходимы лабораторные измерения констант столкновительного взаимодействия соответствующих молекулярных переходов: уширения, сдвига и столкновительной связи (интерференции) спектральных линий, от точности знания которых непосредственно зависит точность извлекаемой информации. Для накопления и обобщения наиболее точных на сегодняшний день результатов экспериментальных и теоретических исследований параметров линий создаются спектроскопические базы данных, такие как HITRAN [7], GEISA [8], JPL [9], MASTER [5] и др. Однако следует отметить, что и по сей день содержащаяся в них информация о параметрах линий остается неполной. Так, например, практически во всех вышеупомянутых базах данных, отсутствует информация о столкновительных параметрах сдвига и интерференции линий. Отчасти это обусловлено тем, что еще не до конца развит аппарат теоретического расчета этих параметров, а имеющиеся экспериментальные данные разных авторов даже для одного конкретного перехода сильно разнятся между собой. Например, для важной диагностической линии поглощения водяного пара на 183 ГГц, используемой на многих станциях зондирования для восстановления профиля влажности атмосферы, разброс значений параметра уширения линии давлением воздуха, измерения которого ведутся разными исследователями с середины прошлого века, достигает 30% (рис. 2). То же самое касается и параметров важной диагностической линии кислорода у 118 ГГц, используемой для восстановления профиля температуры атмосферы. Разброс значений параметра уширения этой линии давлением воздуха достигает ~ 20%.

Исследование чувствительности методов дистанционного зондирования к точности используемых спектроскопических параметров линий, проведенное авторами работы [10], показало, что основной вклад в ошибку восстанавливаемых параметров атмосферы вносят такие параметры линий, как параметр уширения линии давлением воздуха ушг и его температурный показатель пуа,г. Ошибка же в значении константы уширения, превышающая 5%, становится основной в суммарной ошибке определения параметров атмосферы [11]. По мере развития техники и методов, требования, предъявляемые к точности лабораторных исследований, возрастают. Если еще недавно для используемых диагностических линий требовалась 5%-я точность знания интенсивности, то на современном уровне развития диагностирующей техники необходима точность ~ 1% [12]. Возможно, что уже в ближайшее время 5% порог точности для параметров уширения будет повышен до 1%.

Влияние сдвигов линий на точность обработки данных дистанционного зондирования существенно меньше по сравнению с уширением. Однако, как было показано в работе [13], введение отрицательного сдвига центральной частоты диагностической линии водяного пара на 183 ГГц в модельную функцию приводит к значительному улучшению остатка от обработки, а, следовательно, и к увеличению точности получаемых данных. По оценкам, полученным авторами работы [13] из обработки данных дистанционного зондирования атмосферы с помощью различных спутников, величина сдвига линии давлением воздуха варьируется от -0.75 до -0.150 МГц/Торр. Оценивая ситуацию, авторы [13] писали в заключении: «Некоторые параметры, включая сдвиг частоты давлением, трудно измерить в лаборатории. Нам представляется, что MLS инструмент может обеспечить лучшее измерение сдвига линии водяного пара на 183 ГГц, чем любая лабораторная техника, о которой нам известно. . В то же время, необходимо знать параметры диагностических линий заранее, еще до запуска спутника на орбиту». Единственное решение этой проблемы, которое видят авторы работ [13] и [10], - это лабораторные прецизионные исследования параметров линий современными методами микроволновой спектроскопии.

Дистанционное зондирование солености поверхности океана, океанских течений и влажности почвы

Дистанционное зондирование атмосферы 1

Спектральные линии атмосферных газов и континуальное поглощение

Proteus

Летательные аппараты

Искусственные спутники Земли

Наземные радиометры

Рис. 1. Области применения спектральных линий атмосферных газов и континуального поглощения.

4.6 о. о. .о

4.4

4.2 о; s

X (D CL S 3

0) 5 ОТ CL (0 с

3.8

3.6

3.4

I I I I | I I I I [ I I I I | I I I ) | I I I I | м I I | I I м [ м I I I I I I | I I

Н20,183-ГГц Уширение воздухом Температура 300 К

10i и з п 2 5 6 8 н 9 g 11

14

5 ИЗ"

12

Ч 4

1 ' | I I I I i I I I I i I 1 I м 1 I I I [ I i i I I I I I I I I i I I I I I I I I I I I

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Год публикации

Рис. 2. Результаты исследований параметра уширения линии водяного пара на 183 ГГц давлением воздуха, проведенных в разные годы. Цифры около каждого значения соответствуют следующим работам: 1. Rusk [14]; 2. Dryagin [15]; 3. Frenkel and Woods [16]; 4. Hemi and Straiton [17]; 5. Ryadov [18]; 6. Bauer [19]; 7. Bauer [20]; 8. Goyette and DeLucia [21]; 9. Pumphrey - MLS [13]; 10. Pumphrey - MAS [13]; 11. Krupnov [22]; 12. Tretyakov [27]; 13. Golubiatnikov [23]; 14. Gamache [24] (T - расчет).

Потери мм/субмм излучения при его распространении в атмосфере обусловлены не только поглощением в резонансных линиях «атмосферных» молекул, но и так называемым нерезонансным или континуальным поглощением в водяном паре, обнаруженным еще в середине прошлого века [25]. В настоящее время существуют несколько различных версий происхождения континуума, которые могут быть подтверждены или опровергнуты только лабораторными измерениями. В мм/субмм диапазоне таких измерений было проведено ограниченное количество, а имеющиеся экспериментальные данные обладают большими неопределенностями, и не всегда согласуются друг с другом. Поэтому новые лабораторные исследования континуального поглощения могут дать дополнительную информацию для развития теории межмолекулярных взаимодействий, в общем, и континуума, в частности.

При обработке данных дистанционного зондирования часто пользуются готовыми моделями поглощения излучения в атмосфере, содержащими информацию как о параметрах резонансных линий, так и о континуальном поглощении. Для волн мм/субмм диапазона наиболее известная и часто используемая в практических приложениях -эмпирическая модель распространения мм волн в атмосфере МРМ (Millimeter-wave Propagation Model) [26], определенная для частот до 1 ТГц. Точность расчета величины поглощения по модели МРМ, указываемая ее авторами, составляет 2% и может быть улучшена за счет новых лабораторных, прецизионных измерений параметров линий и континуума.

За последние десятилетия человек расширил область спутниковых исследований за пределы Земли на другие астрономические объекты, анализ состава которых позволяет понять их происхождение и эволюцию. Для этого на наземные и спутниковые станции устанавливается аппаратура микроволнового и ИК диапазонов длин волн. Так, например, одна из задач спутника ODIN [3] - поиск молекулярного кислорода в астрономических объектах. Для этих целей используются как переход тонкой структуры молекулы кислорода миллиметрового диапазона на частоте 118.750 ГГц, так и чисто вращательный переход на частоте 425 ГГц. От точности знания параметров этих линий зависит точность получаемой информации о составе атмосферы астрономического объекта.

Одна из проблем, с которой сталкиваются исследователи при определении точности данных, используемых для развития спектроскопических баз данных и эмпирических моделей поглощения излучения в атмосфере, - недостаточное число повторных лабораторных исследований параметров линий и, как следствие, невозможность оценить истинную точность и достоверность используемых данных [11,12]. Поэтому получение новой прецизионной информации о параметрах атмосферных линий и повышение точности уже имеющихся данных, чему и посвящена данная работа, в настоящее время является актуальной задачей экспериментальной физики, имеющей как фундаментальное, так и важнейшее прикладное значение.

Основной целью данной диссертации является прецизионное исследование в мм/субмм диапазоне с помощью комплекса спектрометров параметров спектральных линий кислорода и водяного пара и параметров континуального поглощения, включая область низких температур, представляющих как фундаментальный, так и практический интерес для различных областей науки.

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными в ней результатами:

1. Проанализированы аппаратные функции комплекса спектрометров, использовавшегося для прецизионного измерения параметров атмосферных линий и континуального поглощения мм/субмм диапазона при различных значениях давления и температуры исследуемых образцов. Предложены и применены методики экспериментального учета аппаратных функций спектрометров, основанные на замещении исследуемого образца газом, не поглощающим в данном диапазоне частот, позволившие более чем на порядок увеличить точность и повысить надежность измерения констант молекулярных линий.

2. С помощью комплекса спектрометров измерены константы мм спектра молекулы кислорода:

- При низком давлении измерены параметры уширения и впервые установлена количественная верхняя граница сдвига линий тонкой структуры давлением кислорода, азота и воздуха в широком диапазоне значений вращательного квантового числа N. Полученные данные обладают на сегодняшний день наилучшей точностью.

- Прецизионное измерение центров кислородных линий на спектрометре РАД позволило на ~ 60% улучшить точность определения констант спин-спинового и спин-орбитального взаимодействий. Набор эффективных молекулярных спектроскопических констант молекулы 1602 в основном электронно-колебательном состоянии, полученный в результате совместной обработки данных диссертационной работы со всеми известными ранее, является наиболее точным на сегодняшний день.

- Используя параметры уширения и сдвига линий тонкой структуры молекулы кислорода, измеренные на спектрометре РАД, и запись 60 ГГц полосы, полученную на резонаторном спектрометре при атмосферном давлении в чистом кислороде и сухом воздухе, уточнены значения коэффициентов интерференции 1го порядка для этих линий. Впервые экспериментально показана необходимость учета интерференционной поправки 2-го порядка при расчете контура полосы поглощения и получена количественная оценка величины этого эффекта.

- С помощью резонаторного спектрометра проведено исследование температурных зависимостей параметров важной атмосферной диагностической линии N= 1-вблизи 118 ГГц. В результате подтверждены границы самосдвига центра линии и получены уточненные значения интенсивности и температурного показателя самоуширения. Впервые измерена величина параметра интерференции 1-го порядка, характеризующего связь этой линии с переходами 60 ГГц полосы.

3. С помощью комплекса спектрометров проведено лабораторное исследование поглощения мм/субмм излучения в водяном паре, в результате чего получены уточненные значения параметров уширения и впервые измерены параметры сдвига линий Н2О 3],з-22,о, Ю2,9 - 9з,б, 5,,5 - 42j2 и 41>4 - 32,i вблизи 183, 321, 325 и 380 ГГц давлением основных атмосферных газов (Н2О, О2, N2). С помощью резонаторного спектрометра измерены значения интенсивностей линий воды вблизи 183 и 325 ГГц и показана возможность использования спектрометра в качестве измерителя объемной влажности образца с флуктуационной чувствительностью ~ 1 мг/м3, что особенно актуально в области низких влажностей (менее 1-2 г/м ).

4. Проведено исследование континуального поглощения в смеси паров воды и азота в диапазоне частот 110-210 ГГц с помощью резонаторного спектрометра. Количественные широкодиапазонные измерения континуума такой смеси в указанной области частот и при температурах около и ниже точки замерзания воды проведены впервые. Определены параметры континуума, включая температурную зависимость его компонент, и проанализированы возможные причины «усиления» температурной зависимости в области низких температур по сравнению с результатами высокотемпературных измерений других исследователей.

Личный вклад автора. Основная часть результатов, приведенных в диссертации, получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор активно участвовал в постановке задач, разработке и развитии методов исследования, получении и анализе экспериментальных данных и написании статей.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

4.4 Выводы

Применение комплекса спектрометров для исследования поглощения субмм излучения в водяном паре позволило значительно повысить точность известных и определить ранее неизвестные параметры вращательных линий молекулы воды и коэффициенты континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в рамках используемой эмпирической модели, в частности:

1) С помощью комплекса спектрометров проведено лабораторное исследование поглощения мм/субмм излучения в водяном паре, в результате чего получены значения параметров уширения и сдвига четырех линий Н20 Зр - 22;о, 102>9 - 9з,б, 5i;s - 42,2 и 4^ -32;[ вблизи 183, 321, 325 и 380 ГГц давлением основных атмосферных газов (Н20, 02, N2), причем параметры сдвига измерены впервые.

2) С помощью резонаторного спектрометра получены значения интенсивностей линий воды вблизи 183 и 325 ГГц и показана возможность использования спектрометра в качестве измерителя объемной влажности образца с флуктуационной чувствительностью ~ 1 мг/м3, что особенно актуально в области низких влажностей 1-2 г/м3). Хорошее согласие коэффициентов уширения и сдвига, измеренных для одних и тех же линий независимо на обоих спектрометрах, повышает достоверность полученной информации о параметрах линий.

3) В диапазоне частот 110-210 ГГц с помощью резонаторного спектрометра исследовано континуальное поглощение излучения в смеси паров воды и азота. Количественные широкодиапазонные измерения континуума такой смеси в указанной области частот и при температурах около и ниже точки замерзания воды проведены впервые. В рамках используемой эмпирической модели определены параметры континуума, включая температурную зависимость его компонент, и проанализированы возможные причины «усиления» температурной зависимости в области низких температур по сравнению с результатами высокотемпературных измерений других исследователей.

Заключение

В заключении приведем основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы, и области их применения.

1. Проанализированы аппаратные функции комплекса спектрометров, использовавшегося для прецизионного измерения параметров атмосферных линий и континуального поглощения мм/субмм диапазона при различных значениях давления и температуры исследуемых образцов. Предложены и применены методики экспериментального учета аппаратных функций спектрометров, основанные на замещении исследуемого образца газом, не поглощающим в данном диапазоне частот, позволившие более чем на порядок увеличить точность и повысить надежность измерения констант молекулярных линий.

2. С помощью комплекса спектрометров измерены константы мм спектра молекулы кислорода:

- При низком давлении измерены параметры уширения и впервые установлена количественная верхняя граница сдвига линий тонкой структуры давлением кислорода, азота и воздуха в широком диапазоне значений вращательного квантового числа N. Полученные данные обладают на сегодняшний день наилучшей точностью.

- Прецизионное измерение центров кислородных линий на спектрометре РАД позволило в среднем на 60% улучшить точность определения констант спин-спинового и спин-орбитального взаимодействий. Набор эффективных молекулярных спектроскопических констант молекулы 16Ог в основном электронно-колебательном состоянии, полученный в результате совместной обработки данных диссертационной работы со всеми известными ранее, является наиболее точным на сегодняшний день.

- Используя прецизионные параметры уширения и сдвига линий тонкой структуры молекулы кислорода, измеренные на спектрометре РАД, и запись 60 ГГц полосы, полученную на резонаторном спектрометре при атмосферном давлении в чистом кислороде и сухом воздухе, уточнены значения коэффициентов интерференции 1-го порядка для этих линий. Впервые экспериментально показана необходимость учета интерференционной поправки 2-го порядка при расчете контура полосы поглощения и получена количественная оценка величины этого эффекта.

- С помощью резонаторного спектрометра проведено исследование температурных зависимостей характеристик важной атмосферной диагностической линии N-1-вблизи 118 ГГц. В результате подтверждены границы самосдвига центра линии, измерена интенсивность и уточнено значение параметра температурной зависимости самоуширения. Впервые измерена величина параметра интерференции 1-го порядка, характеризующего связь этой линии с переходами 60 ГГц полосы.

3. С помощью комплекса спектрометров проведено лабораторное исследование поглощения мм/субмм излучения в водяном паре, в результате чего получены уточненные значения параметров уширения и впервые измерены параметры сдвига линий НгО 31,з-22,о, Ю2,9 - 9з,б, 5,,5 - 4г,2 и 4i,4 - Зг,1 вблизи 183, 321, 325 и 380 ГГц давлением основных атмосферных газов (Н2О, Ог, N2). С помощью резонаторного спектрометра измерены значения интенсивностей линий воды вблизи 183 и 325 ГГц и показана возможность использования спектрометра в качестве измерителя объемной влажности образца с флуктуационной чувствительностью ~ 1 мг/м , что особенно актуально в области низких влажностей (менее 1-2 г/м ).

4. Проведено исследование континуального поглощения в смеси паров воды и азота в диапазоне частот 110-210 ГГц с помощью резонаторного спектрометра. Количественные широкодиапазонные измерения континуального поглощения излучения такой смесью в указанной области частот и при температурах около и ниже точки замерзания воды проведены впервые. В рамках используемой эмпирической модели определены параметры континуального поглощения, включая температурную зависимость его компонент, и проанализированы возможные причины «усиления» температурной зависимости в области низких температур по сравнению с результатами высокотемпературных измерений других исследователей.

Полученная в диссертационной работе информация о параметрах линий и континуального поглощения имеет важное практическое значение для мониторинга атмосферы Земли, предсказания изменений климата и других приложений, а также для развития теории межмолекулярного взаимодействия.

1. E.R. Westwater, S. Crewell and Ch. Matzler, Surface-based Microwave and Millimeter wave Radiometric Remote Sensing of the Troposphere: a Tutorial. // 1.EE Geosciences and Remote Sensing Newsletter, 2005,134.

2. R.V. Leslie, Geophysical Parameter Estimation with a Passive Microwave Spectrometer at 54/118/183/425 GHz, PhD. Thesis, 2004, http://rseg.mit.edu/

3. J.R. Pardo, M. Ridal, D. Murtagh, and J. Cernicharo, Microwave temperature and pressure measurements with the Odin satellite: I. Observational method. // Can. J. Phys., Vol. 80, 2002,443-454.

4. J.W. Waters, et al., "The Earth Observing System Microwave Limb Sounder (EOS MLS) on the Aura satellite," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 44,2006,1075-1092.

5. J. Waters, Spectroscopic Needs for Microwave Atmospheric Sensing: Instrument Focus. // NASA Workshop on Spectroscopic Needs for Atmospheric Sensing San Diego, California, 22-26 October 2001

6. N. Jacquinet-Husson, N.A. Scott, A. Chedin, A.A. Chursin, Atmos. Oceanic Opt. 16-3, 2003,256, available from http://ara.lmd.polytech-nique.fr/geisa

7. H. M. Pickett, R.L. Poynter, E.A. Cohen, M.L. Delitsky, J.C. Pearson, and H.S.P. Muller, Submillimeter millimeter and microwave spectral line catalog. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 60,1998, 883-890.

8. S. Payan, J. de La Noe, A. Hauchecorne, C. Camy-Peyret, A review of remote sensing techniques and related spectroscopy problems // C.R. Physique 6, 2005, 825-835.

9. L.S. Rothman, N. Jacquinet-Husson, Christian Boulet, A.M. Perrin, History and future of the molecular spectroscopic databases // C.R. Physique 6,2005, 897-907.

10. H.C. Pumphrey, S. Buehler, Instrumental and spectral parameters: their effect on and measurement by microwave limb sounding of the atmosphere // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 64, 2000,421-437.

11. J.R. Rusk, Line-breadth study of the 1.64-mm absorption in water vapor // J. Chem. Phys. 42,1965,493-500.

12. Ю.А. Дрягин, А.Г. Кисляков, JI.M. Кукин, А.И. Наумов, Л.И. Федосеев, Измерение атмосферного поглощения радиоволн в диапазоне 1,36 3,0 мм // Изв. высш. уч. зав. - Радиофизика 9,1966,1078.

13. L. Frenkel and D. Woods, The microwaves absorption by НгО vapor and its mixtures with other gases between 100 and 300 Gc/s // Proc. IEEE 54,1966,498-505.

14. C.O. Hemmi, A.W. Straiton, Pressure broadening of the 1.63-mm water vapor absorption line // Radio Sci. 4,1969,9.

15. В.Я. Рядов, Н.И. Фурашов, // Изв. высш. уч. зав. Радиофизика, 18,1975,358-369.

16. A. Bauer, M.Godon, В. Duterage, Self- and air-broadened linewidth of the 183 GHz absorption in water vapor // J.Quant. Spectrosc.Radiat. Transfer, 33,1985, 167-175.

17. A.Bauer, M.Gordon, M.Kheddar, J.M.Hartmann, Temperature and perturber dependences of water vapor line-broadening. Experiments at 183 GHz; calculations below 1000 GHz // J.Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 41,1989,49-54.

18. T.M. Goyette, F.C. De Lucia, The pressure broadening of 313-220 transition of water between 80 and 600 К // J. Mol. Spectrosc., 143,1990,346-358.

19. A.F. Krupnov, M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, V.N. Shanin, S.E. Myasnikova, Modem millimiter-wave resonator spectrometer of broad lines. // J. Mol. Spectrosc. 202, 2000, 107-115.

20. G.Yu. Golubiatnikov, Shifting and broadening parameters of the water vapor 183-GHz line (313-220) by H20, 02, N2, C02, H2, He, Ne, Ar, and Kr at room temperature. // J. Molec. Spectrosc., 230,2005,196-198.

21. R.R. Gamache and J. Fischer, Half-widths of H2160, H2180, H2170, HD160, and D2I60: I Comparison between Isotopomers, // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 78, 2003, 289304.

22. G.E. Becker, and S.H. Autler, Water vapor absorption of electromagnetic radiation in the centimeter wave-length range, // Phys. Rev., 70 (5/6), 1946, 300-307.

23. H.J. Liebe, P.W. Rosenkranz, G.A. Hufford. Atmospheric 60-GHz oxygen spectrum: new laboratory measurement and line parameters.// J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer., 48 (5/6), 1992, 629-643.

24. M. Yu. Tretyakov, G. Yu Golubiatnikov, V.V. Parshin, M.A. Koshelev, S.E. Myasnikova, A.F. Krupnov and P.W. Rosenkranz, Experimental Study of Line Mixing Coefficient for 118.75 GHz Oxygen Line // J. Molec. Spectrosc. 223,2004,31-38.

25. M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, M.A. Koshelev, A.P. Shkaev, A.F. Krupnov, Extension of the Range of Resonator Scanning Spectrometer into Submillimeter Band and Some Perspectives of Its Further Developments // J. Molec. Spectrosc. 238,2006, 91-97.

26. G. Yu. Golubiatnikov, M.A. Koshelev and A.F. Krupnov, Reinvestigation of Pressure Broadening Parameters at 60-GHz Band and Single 118.75 GHz Oxygen at Room Temperature //J. Molec. Spectrosc. 222,2003,191-197.

27. M.Yu. Tretyakov, M.A. Koshelev, I.A. Koval, V.V. Parshin, L.M. Kukin, L.I. Fedoseev, Yu. A. Dryagin, A.F. Andriyanov, Temperature dependence of pressure broadening of 1 -oxygen line at 118.75 GHz // J. Molec. Spectrosc., 241,2007,109-111.

28. M.A. Koshelev, M.Yu. Tretyakov, G.Yu. Golubiatnikov, V.V. Parshin, V.N. Markov, I.A. Koval, Broadening and Shifting of the 321-, 325- and 380-GHz Lines of Water Vapor by Pressure of Atmospheric Gases // J. Molec. Spectrosc. 241,2007,101-108.

29. М.Ю. Третьяков, M.A. Кошелев, И.А. Коваль, B.B. Паршин, Ю.А. Дрягин, JI.M. Кукин, Л.И. Федосеев // Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом в диапазоне 100-210 ГГц, Оптика атмосферы и океана, 20(2), 2007,101-105.

30. M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, V.N. Shanin, S.E. Myasnikova, M.A. Koshelev, A.F. Krupnov. Real Atmosphere Laboratory Measurement of the 118-GHz Oxygen Line: Shape, Shift, and Broadening of the Line // J. Molec. Spectrosc., V. 208, No.l, 2001, 110112.

31. М.А. Кошелев, М.Ю. Третьяков, В.В. Паршин, С.Е. Мясникова, Л.И. Федосеев, Измерение атмосферного поглощения в диапазоне 130-205 ГГц методом резонаторной спектроскопии // Труды 9 научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2005

32. M.Yu. Tretyakov, M.A. Koshelev, V. V. Dorovskikh, D. S. Makarov, P. W. Rosenkranz, Precise study of the microwave absorption spectrum of oxygen // 19th Colloquium on High Resolution Molecular Spectroscopy, 2005, Salamanca, Spain

33. M.Yu. Tretyakov, V.V. Parshin, M.A. Koshelev, S.E. Myasnikova, Resonator spectrometer for precise studies of atmospheric absorption in mm/submm range // 19th Colloquium on High Resolution Molecular Spectroscopy, 11-16 September, 2005, Salamanca, Spain.

34. М.А. Кошелев, М.Ю. Третьяков, Ю.В. Зайцев, В.И. Романова, Сдвиг и уширение линии молекулы НгО на частоте 325 ГГц давлением основных атмосферных газов // Труды 10 Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2006.

35. Таунс Ч., Шавлов А., Радиоспектроскопия, пер. с англ., М., 1959

36. W. Gordy, R.L. Cook, Microwave molecular spectra, A Wiley-Inter-science Publication, John Wiely and Sons, NewYork, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, 1984.

37. A. Perrin, Review of the existing spectroscopic databases for atmospheric applications, // Spectroscopy from space in: J. Demaison, K. Sarka, E.A. Cohen (Eds.), NATO Science Series II vol.20, Kluwer, Dordrecht, 2001,235-258.

38. J. Fischer, R.R. Gamache, A. Goldman, et al., Total internal partition sums for molecular species in the 2000 edition of the HITRAN database, // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 82, 2003,401-412.

39. М.В. Тонков, Молекулярные столкновения и спектры атмосферных газов // Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПб ун-та, 2003. 83 с.

40. Н.А. Lorentz, // Proc. Amst. Acad. Sci., 8,1906,591.

41. J.H. Van Vleck and V.F. Weisskopf, On the shape of collision-broadened lines // Revs. Modern Phys. 17,1945,227.

42. S.A. Clough, F.X. Kneizys, and R.W. Devies, Line shape and the water vapor continuum // Atmos. Res., 23,1989,229-241.

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

44. C.A. Жевакин, А.П. Наумов, Распространение сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в земной атмосфере // Изв. высш. уч. зав. -Радиофизика 10,1967,1213-1242.

45. R.J. Hill, Water vapor-absorption line shape comparison using 22-GHz line: The Van Vleck Weisskopf shape affirmed // Radio Sci. 21,1986,447-451.

46. H.J. Liebe, The atmospheric water vapor continuum below 300 GHz // Int J Infrared Millimeter Waves 5,1984,207.

47. P.W. Rosenkranz, Shape of the 5 mm Oxygen Band in the atmosphere // IEEE Trans. Antennas Propag. AP-23,1975,498-506.

48. P.W. Rosenkranz, Interference coefficients for overlapping oxygen lines in air // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 39,1988,281-297.

49. R.H. Dicke, The effect of collisions upon the Doppler width of spectral lines // Phys. Rev. 89, 1953,819-824.

50. С.Г. Раутиан, И.И. Собельман, Влияние столкновений на доплеровское уширение спектральных линий // УФН 90,1966,209-236.

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

52. M. Godon, J. Carlier, and A. Bauer, laboratory studies of water vapor absorption in the atmospheric window at 213 GHz // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 47, 1992, 275285,1992.

53. A. Bauer, M. Godon, J. Carlier and Q. Ma, and R. H. Tipping, absorption by H20 and H20-N2 mixtures at 153 GHz // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 50,1993,463-475.

54. A. Bauer, M. Godon, J. Carlier and Q. Ma, Water vapor absorption in the atmospheric window at 239 GHz // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 53,1995,411-423.

55. Т. Kuhn, A. Bauer, М. Godon, S. Buehler, К. Kuenzi, Water vapor continuum: absorption measurements at 350 GHz and model calculations, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 74,2002, 545-562.

56. V.B. Podobedov, D.F. Plusquellic, G.T. Fraser, Investigation of the water-vapor continuum in the THz region using a multipass cell // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 91, 2005, 287-295.

57. JIM. Кукин, Ю.Н. Ноздрин, В.Я. Рядов, Л.И. Федосеев, Н.И. Фурашов, Определение вклада мономеров и димеров водяного пара в атмосферное поглощение по данным измерений в диапазоне 1,15-1,5 5 мм // Радиотехника и электроника 10, 1975, 20172025.

58. В.Я. Рядов, Н.И. Фурашов, Исследование поглощения радиоволн в атмосферном окне прозрачности ^=0,73 мм // Изв. высш. уч. зав. Радиофизика 10,1967,1213.

59. В.Я. Рядов, Н.И. Фурашов, О поглощении атмосферным водяным паром в окне прозрачности Х=0,87 мм // Изв. высш. уч. зав. Радиофизика 19,1976,1308-1314.

60. Ю.П. Калмыков, С.В. Титов, Обобщенная вращательная диффузия и молекулярное поглощение в газах: метод функции памяти // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 1998,9,32-50.

61. R.H. Tipping, Q. Ma, Theory of water continuum and validations // Atmos. Res. 36, 1995, 69-84.

62. А.А. Викторова, C.A. Жевакин // Докл. АН СССР 104,1970, 540.

63. R. Moro, R. Rabinovich, Ch. Xia, and V.V. Krestin, Electric dipole moments of water clusters from a beam deflection measurement // Phys. Rev. Lett. 97,2006,123401.

64. A.A. Vigasin, Water vapor continuous absorption in various mixtures: possible role of weakly bound complexes // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 64,2000,25-40.

65. A.A. Vigasin, On the nature of collision-induced absorption in gaseous homonuclear diatomics // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 56,1996,409-422.

66. J. Boissoles, C. Boulet, R.H. Tipping, A. Brown, Q. Ma, Theoretical calculation of the translation-rotation collision-induced absorption in N2-N2, O2-O2, and N2-O2 pairs // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 82,2003,505-516.

67. A. Borysow, L. Frommhold, Collision-induced rototranslational absorption spectra of N2-N2 pairs for temperatures from 50 to 300 К // Astrophys. J. 311,1986,1043-57.

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

69. H.J. Liebe, MPM an atmospheric millimeter-wave propagation model // Int J Infrared Millimeter Waves 10,1989, 631-650.

70. S.A. Clough, M.J. Iacono, J.L. Moncet, Line-by-line calculation of atmospheric Tuxes and cooling rates: application to water vapor // J Geophys Res 97,1992,761-785.

71. J.-M. Colmont, F. Rohart, G. Wlodarczak, N2-, H2-, and He- Induced Collisional Broadening of the J=24-23 transition HC3N located near 218.3 GHz at different temperatures, // J. Molec. Spectrosc., doi: 10.1016/j.jms.2006.11.007, 2006.

72. A.F. Krupnov, Present state of submillimeter wave spectroscopy at the Nizhnii Novgorod Laboratory, Spectrochimica Acta Part A, 52,1996, 967-993.

73. E.M. Гершензон, М.Б. Голант, А.А. Негирев, K.C. Савельев, Лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн // Под. ред. Н.Д. Девяткова. М.: Радио и связь, 1985.135 с.

74. Т. Klaus, S.P. Belov, G. Winnewisser, Precise measurement of the pure rotational submillimeter-wave spectrum of HC1 and DC1 in their v = 0, 1 states // J. Molec. Spectrosc. 187, 1998,109-117.

75. V.P. Kazakov, A.F. Krupnov, V.N. Saveliev, O.N. Ulenikov, Submillimeter spectrum and constants of AsH3 //J. Mol. Spectrosc. 123,1987, 340-355.

76. Техника спектроскопии в дальней инфракрасной, субмиллиметровой и миллиметровой областях спектра // Перевод с англ. под ред. Т.М. Лифшица. М.: Изд-во Мир, 1970.400 с.

77. Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, В.В. Камышан, В.М. Кузьмичев, Б.И. Макаренко, А.В. Соколов, В.П. Шейко, Техника субмиллиметровых волн // Под ред. проф. Р.А. Валитова. М.: Изд-во «Советское радио», 1969. 480 с.

78. А.Е. Каплан, Об отражательной способности металлических пленок в СВЧ- и радиофизике // Радиотехника и электроника 9,1964,1781-1787.

79. М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики // Перевод с англ. под. ред. Г.П. Мотулевич, М.: Наука, 1973.720 с.

80. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкин, A.M. Братковский и др., Физические константы // Под. ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова, М.: Энергоатомиздат, 1991. 390 с.

81. Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: методы и техника // Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, Б.И. Макаренко и др.; Под. ред. Р.А. Валитов, Б.И. Макаренко М.: Радио и Связь, 1984. 298 с.

82. W.G. Read, K.W. Hilling, E.A. Cohen, and H.M. Pickett, The measurement of absolute absorption of millimeter radiation in gases: the absorption of CO and 02 // IEEE Trans. Antennas Propagat. 36,1988,1136-1143.

83. H.J. Liebe, Pressure-scaning mm-wave dispersion spectrometer // Rev. Sci. Instrum. 46, 1975, 817-825.

84. A.I. Meshkov, F.C. De Lucia, Broadband absolute absorption measurements of atmospheric continua with millimeter wave cavity ringdown spectroscopy // Rev. Sci. Instrum. 76, 2005,083103.

85. R.M. Hill and W. Gordy, Zeeman effect and line breadth studies of the microwave lines of oxygen // Phys. Rev. 93,1954,1019 1022.

86. R.W. Zimmerer and M. Mizushima, Precise measurement of the microwave absorption frequencies of the oxygen molecule and the velocity of light // Phys. Rev. 121, 1961, 152155.

87. J.S. McKnight and W. Gordy, Measurement of the submillimeter-wave rotational transition of oxygen at 424 kMc/sec // Phys. Rev. 21,1968,1787-1789.

88. A.E. Shulze and C.W. Tolbert, Shape intensity and pressure broadening of the 2.53-millimetre wave-length oxygen absorption line // Nature 200,1963,747-750.

89. A.F. Krupnov, G.Yu. Golubiatnikov, V.N. Markov, D.A. Sergeev, Pressure broadening of the rotational line of oxygen at 425 GHz // J. Mol. Spectrosc. 215,2002,309-311.

90. G. Yu. Golubiatnikov, and A.F. Krupnov, Microwaves study of the rotational spectrum of oxygen molecule in the range up to 1.12 THz // J. Molec. Spectrosc. 217,2003, 282-287.

91. H.J. Liebe, G.G. Gimmestad, J.D. Hopponen, Atmospheric oxygen microwave spectrum -experiment versus theory// IEEE Trans. Ant. Prop. AP-25(3), 1977, 327-335.

92. L.R. Brown, C. Plymate, Experimental Line Parameters of the Oxygen A Band at 760 nm //J. Molec. Spectrosc. 199,2000,166-179.

93. Artman J.O. and Gordon J.P., Pressure broadening of O2 line in the millimetre wavelength region // Phys. Rev. 90,1953, 338.

94. G.G. Gimmestad, D.T. Llewellyn-Jones and Gebbie H.A. Millimetre wave oxygen attenuation measurements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 16,1976, 899-900.

95. B.J. Setzer and H.M. Picket, Pressure broadening measurements of the 118.750 GHz oxygen transition // J. Chem. Phys 67,1977, 340-343.

96. H.M. Pickett, Determination of collisional linewidths and shifts by a convolution method // Applied Optics 19,1980,2745-2749.

97. H.M. Pickett, E.A. Cohen, D.E. Brinza, Pressure broadening of oxygen and its implications for cosmic background measurements // Astrophys. J. 248,1981, L49-L51.

98. E.W. Smith, Absorption and dispersion in the O2 microwave spectrum at atmospheric pressures // J. Chem.Phys. 74(12), 1981, 6658-6673.

99. G. Rouille, G. Millot, R. Saint-Loup, and H. Berger, High-Resolution Simulated Raman Spectroscopy of 02//J. Molec. Spectrosc. 154,1992,372-382.

100. L.R. Zink, M. Mizushima, Pure rotational far-infrared transitions of 1602 in its electronic and vibrational ground state // J. Molec. Spectrosc. 125,1987,154-158.

101. K. Park, I. G. Nolt, Т. C. Steele, L. R. Zink, К. M. Evenson, К. V. Chance and A. G. Murray, Pressure broadening of the 50.873 and 83.469 cm"1 molecular oxygen lines // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 56,1996, 315-316.

102. H.M. Pickett, The fitting and prediction of vibration-rotation spectra with spin interactions Hi. Molec. Spectrosc. 148,1991,371-377.

103. G.Yu. Golubiatnikov and A.F. Krupnov, Molecular constants of the ground state of oxygen (1602) accounting for new experimental data // J. Molec. Spectrosc. 225,2004,222-224.

104. A.H. Тихонов, A.B. Гончарский, В.В. Степанов, А.Г. Ягола, Регуляризирующие алгоритмы и априорная информация, М.: Наука, 1983.200 с.

105. G. Yu. Golubiatnikov, V.N. Markov, A. Guarnieri, R. Knochel Hyperfine structure of H2I60 and H2180 measured by Lamb-dip technique in the 180-560 GHz frequency range // J. Molec. Spectrosc., 240,2006,251-254.

106. V.N. Markov, Personal communication, 2004.

107. А.Ф. Крупнов, B.H. Марков, Температурная зависимость самоуширения спектральной линии 313 -220 паров воды //Оптика атмосферы и океана 5,1992,214-215.144. http://facultv.uml.edu/Robert Gamache

108. F.C. DeLucia, P. Helminger, R.L. Cook, and W. Gordy Submillimeter Microwave Spectrum of H2160 // Phys. Rev. A 5,1972,487-490.

109. R. Emery, Atmospheric absorption measurements in the region of 1 mm wavelength // Infrared Phys. 12,1972, 65-79.

110. M. Lichtenstein, V. Е. Derr and J. J. Gallagher Millimeter wave rotational transitions and the Stark effect of the water molecule // J. Molec. Spectrosc. 20,1966, 391-401.

111. J.-M. Colmont, D. Priem, G. Wlodarczak, R.R. Gamache, Measurements and Calculations of the Halfwidth of Two Rotational Transitions of Water Vapor Perturbed by N2, O2, and Air//J. Mol. Spectrosc. 193,1999, 233-243.

112. K.S. Lam, Application of pressure broadening theory to the calculation of atmospheric oxygen and water vapor microwave absorption // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 17, 1977,351-383.

113. A. Bauer, M. Godon, M. Kheddar, J.M. Hartmann, J. Bonamy, and D. Robert Temperature and perturber dependences of water-vapor 380 GHz-line broadening // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 37,1987,531-539.

114. W.S. Benedict and L.D. Kaplan Calculation of line widths in H20-H20 and H20-02 collisions // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 4,1964,453-469.

115. J.Y. Mandin, J.M. Flaud, C. Camy-Peyret and G. Guelachvili // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 23,1980, 351-370.

116. T.M. Goyette, F.C. DeLucia, J.M. Dutta, and C.R. Jones Variable temperature pressure broadening of the 41,4-32,1 transition of H2O by O2 and N2 // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 49,1993,485-489.

117. W.S. Benedict and L.D. Kaplan Calculation of linewidths in H2O-N2 collision // J. Chem. Phys. 30,1959,388-399.

118. H. J. Liebe, M. C. Thompson, Jr. and T. A. Dillon, Dispersion studies of the 22 GHz water vapor line shape, I. The lorentzian behavior // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 9, 1969,31-47.

119. В. Манассевич, Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ./ Под ред. А.С. Галина. М.: Связь, 1979. 384 с.