Теоретические исследования процессов поглощения и фотохимии и их применение в радиационных блоках климатических моделей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Поглощение в крыльях линий и полос

1.1. Введение

1.2. Экспериментально наблюдаемые закономерности поглощения в крыльях 20 линий

1.3. Теоретическое обоснование температурной и частотной зависимости коэффициента поглощения в крыльях спектральных линий

1.3.1. Вывод кинетического уравнения

1.3.2. Метод полуклассического представления в проблеме контура спектральной линии

1.3.3. Разделение асимптотических случаев в кинетическом уравнении

1.3.4. Выражение для контура спектральной линии при больших смещенных частотах

1.4. Классический потенциал межмолекулярного взаимодействия и зависимость коэффициента поглощения от температуры. Извлечение потенциала межмолекулярного взаимодействия из спектроскопических данных

1.5. Спектральная и температурная зависимость коэффициента поглощения в крыльях полос

1.5.1. Коэффициент поглощения СОг в крыльях полосы 4.3 мкм.

1.5.1.1. Температурная зависимость коэффициента поглощения

1.5.1.2. Коэффициент поглощения в микроокнах полосы

1.5.1.3. Коэффициент поглощения в широком диапазоне температур

1.5.1.4. Универсальный контур для полосы 4.3 мкм СО2 при самоуширении

1.5.2. Коэффициент поглощения СО2 в крыльях полос 1.4 и 2.7 мкм

1.5.3. Коэффициент поглощения СО2 в крыле полосы 15 мкм

1.5.4. Коэффициент поглощения СО в крыльях фундаментальной полосы

1.6. Поглощение крыльями линий Н2О в ИК -области спектра

1.6.1. Сравнение квазистатического и асимптотического подходов в описании крыльев линий

1.6.2. Коэффициент поглощения Н2О в области 8-12 мкм.

1.6.3. Вариации формы контура в зависимости от полосы

1.6.4. Влияние формы контура на поглощение водяным паром в ближней ИК области спектра

1.7. Методика расчета поглощения в спектрах атмосферных газов

1.8. Использование особенностей температурного поведения коэффициентов поглощения в приложениях 119 Основные результаты 123 Литература к Главе

Глава 2. Применение рядов экспонент для расчета радиационных величин

2.1. Выражения для радиационных потоков в случае плоской стратифицированной атмосферы

2.2. Однородные среды

2.2.1. Два способа получения рядов экспонент

2.2.2. Алгоритм упорядочения коэффициентов поглощения для однородной среды

2.3. Неоднородные среды

2.3.1. Точная формула для коэффициентов разложения функции пропускания в ряд экспонент в случае неоднородной среды

2.3.2. Оценка корректности приближения с^-корреляции

2.4. Интегралы с функцией источника

2.5. Непосредственное выражение радиационных потоков через коэффициенты рядов экспонент

2.6. О необходимой точности в расчетах радиационных потоков

2.7. Однопараметрические аппроксимационные формулы для функций пропускания 165 Основные результаты 171 Литература к Главе

Глава 3. О поведении кислородных составляющих в рамках реакций озонного цикла

3.1. Исследование нелинейных явлений в химии атмосферы

3.2. Полный качественный анализ набора реакций чисто кислородной 182 атмосферы

3.2.1. Набор реакций для кислородной атмосферы

3.2.2. Уравнения озонного цикла в отсутствие излучения

3.2.3. Фазовые портреты для частных наборов реакций

3.2.4. Полный набор реакций

3.3. Малоразмерная модель кислородно - водородной атмосферы

3.3.1. Выбор простой модели

3.3.2. Сравнение с результатами реалистичной модели 207 Основные результаты 211 Литература к Главе

Глава 4. Влияние изменений радиационных характеристик на высотный ход температуры

4.1. Исследование нелинейных явлений в простых радиационных климатических моделях

4.2. Динамика радиационной модели с малым числом слоев

4.2.1. Динамика двухслойной радиационной модели

4.2.2. Двухслойная модель с альбедо, зависящим от температуры

4.2.3. Радиационная модель с четырьмя атмосферными слоями

4.3. Радиационная модель с явной зависимостью от температуры

4.3.1. Формулировка модели

4.3.2. Вычисление радиационных потоков

4.4. Исследование устойчивости высотного хода температуры

4.4.1. Тестовые расчеты высотного профиля температуры

4.4.2. Устойчивость высотного хода температуры при учете температурной зависимости альбедо

4.4.3. Устойчивость высотного хода температуры при вариациях концентраций газовых составляющих атмосферы

Основные результаты

В последнее время становится доступным решение многих важных проблем, которые ранее казалось невозможным даже и ставить. К таким проблемам относится, в частности, проблема климата. Она целиком лежит в предметной области физики, однако, многообразие факторов, влияющих на климат, настолько велико, что только появление больших вычислительных ресурсов позволило приняться за ее решение с достаточной степенью строгости. Основным инструментом исследования климата является моделирование, и наличие компьютеров позволило достичь в течение последних десятилетий большого совершенства в детализации описания процессов, протекающих в земной климатической системе. Можно предположить, что с прогрессом вычислительной техники климатические модели будут способны почти точно воспроизводить природные явления, обеспечивая и необходимые прогнозы погоды, и наступление глобальных изменений климата. С точки зрения физики на этом пути нет принципиальных препятствий. Однако, платой за успех может быть время счета, сравнимое со временем реального протекания описываемых процессов, и практически такая же возможность вычленить из получившегося результата основные приведшие к нему закономерности, какая существует и при непосредственном наблюдении природного феномена. Такая ситуация вряд ли могла бы устроить физиков, для которых в проблеме климата самым интересным является взаимодействие известных природных процессов между собой, а также следствия, к которым может привести это, чаще всего, нелинейное взаимодействие. Для решения такого типа задач глобальная точность описания не является обязательным условием, напротив, она может оказаться помехой.

Необходимость проведения аккуратных расчетов в обосновании не нуждается, и этот путь исследования климатических процессов, несомненно, и дальше будет развиваться. Но к проблеме климата можно подойти и с другой стороны. Именно, при изучении различных физических процессов, вносящих вклад в формирование климата, важно знать те болевые точки, в которых могли бы произойти резкие изменения климатических характеристик, до определенного времени себя не проявляющие. В ряде случаев будет достаточно получить ответ типа "да - нет", то есть требования к точности расчета могут быть значительно снижены.

Физика все чаще обращается к нелинейным задачам, что находится в русле поиска наиболее общих закономерностей, управляющих эволюцией. В настоящее время общепризнано, что климатическая система в высокой степени нелинейна и поэтому может, в принципе, демонстрировать особенности катастрофического характера. Понятно, что большие модели мало приспособлены для нахождения качественных особенностей такого рода. В то же время исследование вопроса о возможности глобальных катастроф уже начинает переходить из области научных дискуссий в сугубо практическую плоскость. На этом фоне естественным является обращение к простым моделям и их исследование с помощью математического аппарата динамических систем.

Тенденция поиска качественных закономерностей в сложных климатических задачах давно существует в литературе. Наиболее активно она проявляет себя при рассмотрении общей циркуляции атмосферы. В радиационных и фотохимических блоках климатических моделей такого рода исследования менее распространены, чем те, которые основаны на стремлении как можно более тщательно и скурпулезно учесть все факторы, имеющие отношение к данной физической задаче.

Фундаментальной научной проблемой, в рамках которой выполнена настоящая работа, является проблема возможного изменения радиационного баланса Земли в результате антропогенных либо естественных воздействий на газовый состав атмосферы. В данной работе рассматривается задача о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик и в конечном счете на высотное поведение температуры. Для ее решения необходимы три больших вычислительных блока -блок line-by-line расчетов коэффициентов поглощения с учетом особенностей поглощения крыльями линий в ИК диапазоне, блок, дозволяющий быстрые расчеты радиационных характеристик и, наконец, блок, предназначенный для проведения предварительных исследований с целью нахождения областей параметров, в которых могут ожидаться качественные особенности поведения радиационных характеристик, в частности, температуры.

Целью работы является создание комплекса моделей, предназначенных для исследования влияния вариаций концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик, основанного на теоретически обоснованных методах расчета молекулярного поглощения, и включающего малоразмерные модели, позволяющие качественно и количественно описывать следствия изменения концентраций.

Актуальность работы обусловлена общим развитием климатических исследований, требующим совершенствования отдельных звеньев радиационного блока, а также усилением тенденции поиска качественных закономерностей в сложных климатических задачах, в том числе критических точек, в которых малые воздействия могли бы привести глобальным изменениям. Поэтому естественным является обращение к простым базовым моделям и их исследование с помощью математического аппарата динамических систем. Задачи, рассматриваемые в настоящей работе, объединены не только проблематикой, относящейся к радиационным блокам климатических моделей, но и подходом, нацеленным в каждом случае на поиск некоторой малоразмерной модели, наиболее адекватно отражающей физику процесса.

В работе решались следующие задачи:

1. Количественное исследование поведения контура спектральных линий в крыльях линий и полос атмосферных газов на основе теории крыльев линий.

2. Разработка методов и алгоритмов расчета коэффициента поглощения в крыльях полос в зависимости от частоты, температуры и типа уширяющего газа с точностью эксперимента.

3. Разработка методов расчета радиационных характеристик с помощью рядов экспонент.

4. Качественный анализ системы реакций чисто кислородной атмосферы и выделение ее малоразмерного эквивалента.

5. Построение радиационной модели, допускающей качественный анализ высотного хода температура при вариациях характеристик газовой смеси.

Известно, что радиационный баланс Земли во многом зависит от поглощения в окнах прозрачности атмосферы. В ИК области спектра это, прежде всего, окно прозрачности 8-12 мкм, где поглощение обусловлено крыльями линий вращательной полосы водяного пара, а также крыльями 15 мкм и 4.3 мкм полос углекислого газа. Известно также, что контур линии в ее крыле существенно отличен от лорентцевского. В то же время эталонные расчеты радиационных потоков в большинстве случаев используют обрезанный лорентцевский контур, не уделяя должного внимания сравнению таким образом рассчитанного поглощения с экспериментом.

Теория крыльев спектральных линий, описывающая поглощение в крыльях линий и полос, разрабатываемая в ИОА в течение ряда лет, дала первое теоретическое описание поглощения в крыльях спектральных линий в ИК диапазоне. Она по сей день остается наиболее последовательной, более проста в применении и по точности и широте охвата материала превосходит имеющиеся в литературе варианты. Теория крыльев спектральных линий начинает с решения полной квантовой задачи о взаимодействии света с веществом, применяя далее параметризацию квантовой задачи взаимодействия двух - поглощающей свет и уширяющей - молекул. Параметры в выражении для контура линии оказываются связанными лишь с потенциалом межмолекулярного взаимодействия и находятся При минимизации отклонений рассчитанных значений коэффициента поглощения от экспериментальных. Наиболее близкий по идейному содержанию из имеющихся в литературе подход - квазистатистическая теория - при упрощении полной квантовой задачи игнорирует классическую задачу движения центров масс молекул и подробно рассматривает квантовую. Однако, как показывают многочисленные сопоставления с экспериментом, именно классическая часть задачи играет определяющую роль в спектральном и температурном поведении коэффициента поглощения в крыльях линий. В настоящее время имеющиеся наборы параметров контура обеспечивают описание экспериментальных данных по коэффициенту поглощения в ИК области спектра в крыльях полос СОг, НгО, СО в зависимости от частоты, температуры и типа уширяющего газа с точностью эксперимента. Полученные количественные данные о контуре приводят к следующим общим выводам: спектральное поведение коэффициента поглощения в крыльях линий и полос определяется видом отталкивательной ветви потенциала межмолекулярного взаимодействия, температурная зависимость коэффициента поглощения в большой степени есть следствие температурной зависимости классического потенциала межмолекулярного взаимодействия, форма квантового потенциала существенно меняется от полосы к полосе, особенно если различны начальные состояния соответствующих колебательных переходов.

Успех теории крыльев линий в описании поглощения обусловлен, с одной стороны, глубоким теоретическим уровнем анализа физической задачи и с другой - выделением основных физических закономерностей, позволившем найти эффективную малопараметрическую модель описания процесса поглощения в крыле линии.

Известно, что line-by-line расчеты требуют большого количества времени, что является серьезной проблемой для радиационных блоков климатических моделей поэтому способы ускорения расчета постоянно обсуждаются в литературе. Наряду с моделями полос, наиболее распространенным для расчета радиационных величин является применение рядов экспонент или метод к - распределения. Как правило, способы нахождения коэффициентов таких разложений сводятся к различным методам минимизации разности между эталонной и рассчитанной с помощью искомого разложения функцией пропускания, что сводит задачу к чисто вычислительной процедуре и не оставляет места для упрощений, следующих из математически точных соотношений. В ИОА была предложена версия А:-распределения, основанная на теории рядов Дирихле, которая позволила получить точные теоретические выражения для коэффициентов разложения исследуемых функций в ряды экспонент в случаях неоднородных трасс, перекрывающихся спектров, интегралов с функцией источника й радиационных потоков, причем в последнем случае разложению подлежат уравнения переноса, полученные непосредственно для интегральных по спектру величин. Наличие точных формул существенно ускоряет расчеты, так как значительно сокращает число членов разложения без потери точности и не требует громоздких процедур минимизации. Для радиационных блоков климатических моделей чрезвычайно полезными оказались однопараметрические аппроксимационные формулы для функций пропускания, полученные Chou с соавторами с помощью рядов экспонент для основных поглощающих газов в атмосфере в ИК диапазоне. Нами предложена процедура получения однопараметрических аппроксимационных формул для быстрого расчета радиационных потоков в ИК диапазоне, подобных формулам Chou, позволяющая устранить некоторые присущие им ограничения и принять во внимание особенности поглощения атмосферными газами, обусловленные формой спектральных линий в далеких крыльях.

Успешная реализация предложенной версии к - распределения обязана своим появлением глубокому теоретическому анализу математической проблемы разложений функций в ряды экспонент, явившемуся основой для получения малопараметрических выражений для радиационных величин.

Когда имеется контур спектральной линии и быстрый способ расчета функций пропускания, задача о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик сводится к расчету радиационных потоков в рамках радиационных моделей и выяснению их зависимостей от вариаций концентраций. Более всего в последнее время привлекают внимание изменения концентраций углекислого газа благодаря его роли в формировании парникового эффекта и озона - из-за обнаружения в атмосфере областей с дефицитом озона. Как уже упоминалось выше, традиционный подход предполагает как можно более точные расчеты со стандартными и с измененными концентрациями и их сравнение с последующими сугубо конкретными выводами, относящимися к исследуемому случаю. Однако, для нахождения качественных особенностей поведения радиационных величин - типа катастрофического роста или падения температур в будущем - такой однократный расчет явно недостаточен. Даже если будет проведено много таких расчетов с различными вариациями концентраций, останется вероятность того, что останется неисследованной именно та область изменения концентраций, которая могла бы дать начало качественным изменениям. Поэтому необходимо построение таких моделей (назовем их малоразмерными), которые учитывали бы основные закономерности задачи, но в то же время были доступны для проведения качественного анализа. В дальнейшем области изменений параметров, могущие привести к качественным изменениям, должны исследоваться в рамках больших моделей. Применительно к нашей задаче о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик необходима радиационная модель, дающая высотный ход температуры и допускающая проведение простейшего нелинейного анализа. Прежде всего нужно рассмотреть влияние самых распространенных малых газовых составляющих - водяного пара, углекислого газа и озона. Из них наиболее подвержен резким изменениям озон, количество которого в атмосфере регулируется фотохимическими реакциями. Поэтому необходимым этапом является ответ на вопрос, не может ли быть источником качественных изменений сама фотохимия озона.

В химии атмосферы до сих пор доминирует прямое использование сложных (многомерных) математических моделей. Относительная роль различных реакций и соединений в возможном уменьшении общего количества озона выясняется, как правило, путем численного решения систем уравнений химической кинетики. Даже при таком подходе удалось выяснить, что в определенных условиях достаточно сложные фотохимические системы обнаруживают тенденцию совершать резкий переход из одного состояния в другое, причем концентрации участвующих веществ в этих состояниях могут отличаться на порядки. Появляются и работы по качественному анализу в применении к химическим системам, в том числе и по качественному исследованию реакций с участием озона, которые идеологически наиболее близки к нашему подходу. Оказалось, однако, что даже простейший озонный цикл, сформулированный Чепменом, не исследован полностью с точки зрения нелинейного анализа. Поэтому всегда остается вопрос, насколько черты нелинейного поведения присущи озонному циклу, то есть известному набору реакций в чисто кислородной атмосфере, как таковому, либо они привносятся в проблему дополнительными химическими соединениями. Мы провели полную классификацию состояний системы реакций в кислородной атмосфере. Отметим следующие особенности, присущие системе реакций между кислородными составляющими. С одной стороны, она является в высокой степени нелинейной, обнаруживая характерные для такой системы черты, как наличие множественных стационарных состояний и изменение их числа и характера устойчивости при изменении параметра системы. С другой стороны, эти черты, совершенно явные для определенных наборов реакций из рассматриваемого списка, как бы замываются при принятии во внимание всех возможных реакций. Особую роль в подавлении нелинейных эффектов играет реакция рекомбинации атомарного кислорода, которая поэтому должна содержаться в базисной фотохимической модели. Итогом же является вывод, что стационарное состояние фотохимической системы, включающей реакцию рекомбинации атомарного кислорода, является устойчивым. Упомянутая реакция практически всегда присутствует в атмосфере. Поэтому при исследовании высотного хода температуры можно ограничиться простым уменьшением или увеличением концентрации озона, как и для других газовых составляющих.

Радиационно-конвективные модели, в рамках которых обычно производится исследование высотного хода температуры, не дают возможности применить к анализу их устойчивости методы нелинейного анализа. Нами предложена радиационная модель, которую также можно назвать малоразмерной, и которая описывается автономными дифференциальными уравнениями с полиномиальными правыми частями для температур слоев. Стационарные состояния такой системы (в качестве стационарного состояния выступает высотный профиль температуры) и характеристики их устойчивости можно уже исследовать с помощью стандартных методов. Тестовые расчеты показывают, что применяемая модель, в основном, правильно отражает известные особенности радиационного режима, обусловленные характеристиками поглощающей среды. Обращение к исследованию устойчивости высотного хода температуры при вариациях параметров модели показало, что исследованные вариации концентраций водяного пара, углекислого газа и озона в 2-3 раза не приводят к нарушению устойчивости стационарного состояния -оно остается устойчивым узлом. Изменение концентраций сказывается на степени устойчивости, меняя времена релаксации к стационарному состоянию, причем эти изменения увеличиваются с ростом высоты. Модель позволяет оценить времена релаксации к стационарному состоянию, исходя из непосредственного решения дифференциальных уравнений для температур атмосферных слоев. Нарушение устойчивости стационарного хода температуры с высотой возможно, в принципе, при введении в уравнения температурной зависимости поглощения и конвекции, так как приводит к появлению в уравнениях членов с другим типом нелинейности. К таким же последствиям приводит и учет температурной зависимости альбедо.

Соответственно упомянутым предметным разделам работа содержит четыре главы, а также введение и заключение. Список литературы прилагается к каждой главе отдельно.

Первая глава посвящена изложению основных элементов теории крыльев линий и ее многочисленным применениям в расчетах коэффициентов поглощения в крыльях линий и полос в ИК спектрах атмосферных газов.

В п. 1.1 дается краткое описание структуры и места теории крыльев линий среди других теоретических подходов.

В п. 1.2 приведен краткий обзор экспериментальных данных по поглощению в крыльях для различных газовых смесей и спектральных интервалов.

Теоретические основы, приводящие к аналитическому выражению для контура линии в крыле, представлены в п. 1.3.

Извлечение потенциала межмолекулярного взаимодействия из экспериментальных данных по поглощению в крыльях линий описано в п. 1.4.

Спектральная и температурная зависимость коэффициентов поглощения в крыльях линий для СОг и НгО рассмотрена в п. 1.5 и 1.6, соответственно. В частности, внимание уделено роли температурной зависимости классического потенциала межмолекулярного взаимодействия и возможности извлечения этого потенциала их спектроскопических данных по поглощению в крыльях линий.

В п. 1.7 изложена методика расчета поглощения в спектрах атмосферных газов, основанная на учете различного спектрального и температурного поведения поглощения в центре линии и в ее крыле.

Во второй главе обсуждается представление функций пропускания и других радиационных величин с помощью рядов экспонент.

В п.2.1 приведены стандартные выражения для радиационных потоков в случае плоской стратифицированной атмосферы, которые будут необходимы в дальнейшем изложении.

В п.2.2 обсуждается вывод точной формулы для функции g{s), обычно называемой функцией распределения коэффициента поглощения, в случае однородных сред. Описаны два варианта получения действительных рядов экспонент - через функцию распределения коэффициентов поглощения и через плотность функции распределения коэффициентов поглощения. Приведены аргументы в пользу первого варианта.

В п.2.3 представлен вывод формулы для разложения функции пропускания в случае неоднородных сред. Именно наличие точных формул для коэффициентов разложения в рядах экспонент предоставляет возможность избежать требования корреляции спектров для различных атмосферных слоев, с одной стороны, и высказать соображения о причинах его эффективности в атмосферных расчетах.

В п.2.4 обсуждается способ расчета интегралов с функцией источника, которые являются необходимой составной частью в применении рядов экспонент к рассмотрению уравнения переноса в п.2.5.

В п.2.6 описано получение однопараметрических аппроксимационных формул для функций пропускания, подобных формулам Chou.

В третьей главе системы реакций в кислородной и в кислородо-водородной атмосфере проанализированы с точки зрения обнаружения качественных особенностей, которые, в принципе, могли бы привести к катастрофическим изменениям концентраций. В п.3.1 кратко проанализировано современное состояние в области использования методов нелинейной динамики для анализа реалистичных и модельных задач химической кинетики атмосферных газов.

Полный качественный анализ системы уравнений Чепмена для кислородной атмосферы представлен в п.3.2, когда объектом изучения являлась система кинетических уравнений для трех кислородных составляющих.

В п.3.3 уравнения простой модели кислородно-водородной атмосферы. Результаты ее качественного анализа используются для обнаружения дополнительных сценариев поведения в реалистичной задаче химии мезосферы.

Четвертая глава объединяет предыдущие результаты в применении к задаче влияния вариаций газового состава атмосферы на радиационный баланс атмосферы.

В п.4.1 представлен краткий обзор результатов, которые могут быть получены в частной, но важной климатической проблеме взаимосвязи радиации и температуры, используя лишь начальные сведения из качественной теории дифференциальных уравнений, касающиеся числа и характера стационарных состояний. Дальнейшее изложение посвящено малоразмерным моделям, связанным с изучением высотного хода температуры. Сначала мы останавливаемся на одномерных однослойных, двухслойных и четырехслойных моделях, как дающих прообраз высотного хода (п.4.2). В п.4.3 мы представляем предложенную нами простую радиационную модель, которая допускает применение качественных исследований для анализа высотного хода температуры, и некоторые полученные результаты. Наконец, в п.4.4 мы рассматриваем вариации газового состава атмосферы и их влияние на качественные особенности температурного профиля.

Таким образом, для решения задачи о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик созданы теоретически обоснованные методы расчета, сформулированы и исследованы малоразмерные модели, позволяющие качественно и количественно описывать следствия изменения концентраций.

На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Основные закономерности спектрального и температурного поведения поглощения в крыльях линий и полос колебательно-вращательных спектров молекул определяются статистическим усреднением с классическим потенциалом межмолекулярного взаимодействия. Квантовый потенциал межмолекулярного взаимодействия ответственен за детали спектрального поведения контура линии на различных расстояниях от центра линии. Спектроскопические данные по поглощению в крыльях являются основой для решения обратной задачи извлечения потенциала межмолекулярного взаимодействия.

2. Использование точных формул для коэффициентов разложения в ряды экспонент радиационных величин, в случаях однородных и неоднородных сред, интегралов с функцией источника и непосредственно радиационных потоков позволяет достичь точности порядка 2 процентов при использовании 5-7 точек в рассматриваемом спектральном интервале без применения процедур минимизации.

3. Основную роль в превращении нелинейной системы реакций чисто кислородной атмосферы в целом в систему с единственным стационарным состоянием играет реакция рекомбинации атомов кислорода. Простейшим блоком, отражающим характерные черты кислородной системы в целом, является блок из пяти реакций - двух реакции фотодиссоциации, реакции образования озона в трехчастичном столкновении, реакции разрушения озона в столкновении с атомарным кислородом и реакции рекомбинации атомов кислорода.

4. Наблюдающиеся в последние десятилетия тренды температуры в стратосфере и мезосфере в основном имеют радиационную природу и являются следствием изменения в атмосфере концентраций углекислого газа и озона.

5. Вариации концентраций поглощающих веществ в 2-3 раза от имеющихся не меняют характера стационарного состояния, которое остается устойчивым узлом, но меняют времена релаксации к стационарному состоянию, причем эти изменения увеличиваются с ростом высоты. Введение явной альбедо-температурной связи может приводить к появлению дополнительного устойчивого профиля температуры с более низкой температурой, чем нынешний.

Достоверность результатов подтверждается строгостью и непротиворечивостью основных положений теории крыльев линий и их согласованием с современными представлениями о взаимодействии света с веществом; прямым сопоставлением расчетных данных с данными физических экспериментов; обоснованностью физических предпосылок при формулировании математических моделей фотохимии кислородной атмосферы и радиационного баланса и сравнением выводов с результатами других методов исследований.

По материалам работы опубликована 2 монографии в соавторстве, 3 статьи в тематических сборниках издательства "Наука", 40 статей в рецензируемых журналах, 10 статей в сборниках SPIE и более 20 в трудах других конференций. 13 статей в рецензируемых журналах не относятся напрямую к тематике работы.

По теме работы выполнено четыре гранта РФФИ (93-05-9026, 96-05-66201, 97-0565985, 00-05-65209), в двух последних автор был руководителем .

Работа выполнялась в Институте оптики атмосферы СО РАН в период с 1980 по 2002 год.

Большинство работ выполнено в соавторстве с С.Д.Твороговым и Л.И.Несмеловой. В работах по поглощению крыльями спектральных линий и по применению рядов экспонент основные теоретические исследования проведены С.Д.Твороговым. Роль автора в этих работах состоит в разработке алгоритмов, проведении расчетов, обсуждении результатов и определении последующих этапов работы.

В работах по качественному анализу системы реакций в кислородной и кислородо-водородной атмосфере участие автора было существенным в постановке задачи и ее теоретической и численной реализации.

В работах, посвященных климатическим моделям, автору принадлежит формулировка проблемы и в большой степени ее теоретическая и численная реализация.

Основные результаты

В процессе работы были проведены многочисленные количественные исследования коэффициента поглощения в крыльях линий и полос атмосферных газов на основе теории крыльев линий. Результаты расчетов имеют как общетеоретическое, так и прикладное значение.

Анализ результатов расчетов позволил выявить следующие общие закономерности в описании поглощения в крыльях спектральных линий в ИК диапазоне:

О выражение для контура спектральной линии в крыле содержит две группы параметров: параметры классического потенциала межмолекулярного взаимодействия, который обычно берется в виде потенциала Леннарда-Джонса (е, ст) и параметры а, Са, Ва квантового потенциала межмолекулярного потенциальной кривой, а Ва представляет собой сложную комбинацию матричных элементов дипольного момента и операторов Меллера; (и) частотам в далеком крыле спектральной линии отвечает отталкивательная ветвь классического потенциала межмолекулярного взаимодействия; (ш) спектральная и температурная зависимости коэффициента поглощения в основном определяются статистическим усреднением с классическим потенциалом межмолекулярного взаимодействия; (¡V) параметры классического потенциала межмолекулярного взаимодействия, взятого в виде потенциала Леннарда-Джонса, линейно меняются с температурой; (у) квантовый потенциал межмолекулярного взаимодействия может быть разбит на части ("мультиполи"), в каждой из которых он аппроксимируется одночленами Са / Яа с обратной зависимостью от расстояния между центрами масс взаимодействующих молекул, причем каждая из частей ответственна за спектральное поведение коэффициента поглощения в определенном диапазоне частот по мере удаления от центра линии; взаимодействия причем а, Са определяют форму vi) имеющиеся экспериментальные данные по поглощению в микроокнах и в крыле полосы 4.3 мкм СС>2 при различных температурах могут быть описаны с помощью единого контура линии, состоящего из нескольких "мультиполей"; vii) параметры квантового потенциала межмолекулярного взаимодействия меняются от полосы к полосе, причем полосам, соответствующим переходам с одинаковыми начальными состояниями, отвечают одинаковые параметры а, Са; viii) спектроскопические данные по поглощению в крыльях могут быть использованы для решения обратной задачи извлечения классического потенциала межмолекулярного взаимодействия; ix) молекулярное поглощение водяным паром в ближней ИК области спектра недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое в безоблачной атмосфере избыточное поглощение.

На основе экспериментальных данных по поглощению в рамках теории крыльев линий получена количественная информация о контуре спектральных линий, обеспечивающая описание экспериментальных данных по коэффициенту поглощения в крыльях полос в зависимости от частоты, температуры и типа уширяющего газа с точностью эксперимента: i) для полос 1.4, 2.7, 4.3 и 15 мкм СОг и для интервалов 8-25 мкм и 3-5 мкм водяного пара получены параметры контура, хорошо описывающие имеющиеся экспериментальные данные по поглощению и позволяющие проводить с помощью банка спектроскопической информации HITRAN массовые line-by-line расчеты коэффициентов поглощения; ii) предложена методика расчета функций пропускания, учитывающая специфику поведения контура линии в центре и в крыле и позволяющая поэтому вклады от крыльев и от центральных частей линии в line-by-line расчете считать раздельно; уменьшение времени счета достигается из-за увеличения шага по частоте в крыльевом вкладе благодаря гладкости его поведения; iii) характерные температурные зависимости коэффициента поглощения в крыльях спектральных линий и полос могут быть использованы в задачах спектроскопического определения содержания атмосферных газов.

Изложенный выше материал позволяет высказать следующие соображения. Из всех теоретических подходов теория крыльев линий является наиболее готовой к практическим применениям. Причиной этого является, с одной стороны, то, что выражение для контура в крьгле оказывается ненамного более сложным для расчета, чем лоренцевский контур, отвечающий противоположной асимптотике. Это позволяет использовать его при исследовании радиационного режима различных планет. Область крыла полосы 15 мкм имеет большое значение для условий атмосферы Земли и Марса, область полосы 4.3 мкм важна для расчета радиационного режима Венеры.

С другой стороны, схема оказывается достаточно богатой по физическому содержанию, чтобы включать в себя разные экспериментальные ситуации. Главное заключается в том, что в ней, по-видимому, удалось выделить существенный физический фактор, определяющий поглощение в крыле. Так как про решающую роль учета ММВ в крыльях линий сейчас говорят практически все, подчеркнем, что, как нам кажется, наиболее важен его учет при построении матрицы плотности. Разумеется, теория крыльев линий, как и другие подходы, имеет свои аспекты, требующие дальнейших исследований. Существование различных концепций одного физического явления свидетельствует о его сложности, и границы их применимости уже начинают проясняться.

1. Birnbaum G. The shape of collision broadened lines from resonance to the far wing // JQSRT 1979. V.21. No.6. pp.597-607.

2. Armstrong R. Moment analysis of a model correlation function//JQSRT 1982. V.28. No.4, pp. 297-304.

3. Fano U. Pressure broadening as a prototype of relaxation// Phys. Rev. 1963. V.131. No.1. pp.25 9-268.

4. Zwanzig R. Ensemble method in the theory of irreversibility// J.Chem.Phys. 1960. V.33. No. 5. pp.1338-1341.

5. Собельман П.П. Введение в теорию атомных спектров, М.: Физматгиз 1963. 640 с.

6. Rosenkranz P.W. Pressure broadening of rotational bands, I. A statistical theory// J.Chem.Phys. 1985. V.83.No.l2. pp.6139-6144.

7. Rosenkranz P.W. Pressure broadening of rotational bands, II. Water vapor from 300 to 1100 cm"1// J.Chem.Phys. 1987. V.87.No.l. pp.163-170.

8. Ma Q. and R. H. T i p p i n g The atmospheric water continuum in the infrared: Extension of the statistical theory of Rozenkranz// J.Chem. Phys. 1990. V.93. No. 10. p.7066-7075.

9. Ma Q. and R.H. Tipping, A far wing line shape theory and its application to the water continuum. I.// J.Chem. Phys. 1991. V.95. No.9. pp.6290-6301.

10. M a Q. and R.H.Tipping,Afar wing line shape theory and its application to the water vibrational bands. II.// J.Chem. Phys. 1992. V.96. No.12. pp.8655-8663.

11. Ma Q. and R.H.Tipping.Afar wing line shape theory and its application to the foreign-broadened water continuum absorption. III.// J. Chem. Phys. 1992. V. 97. No. 2, P. 818 828.

12. Ma Q. and R.H. Tipping. A near-wing correction to the quasistatic far-wing line shape theory.// J. Chem. Phys. 1994. V.100. No. 4. pp.2537 2546.

13. Ma Q. and R.H.Tipping. An improved quasistatic line shape theory: The effects of molecular motion on the line wing.// J. Chem. Phys. 1994. V. 100. No. 8, P. 5567 5579.

14. Ma Q. andR.H.Tipping,Boulet C. The frequency detuning and band-average approximations in a far-wing line shape theory satisfying detailed balance// J.Chem.Phys. 1996. V.104. P. 9678-9688.

15. M a Q. and R.H.Tipping., The distribution of density matrices over potential-energy surfaces : Application to the calculation of the far-wing line shapes for C02// J.Chem.Phys. 1998. V.108. No.9, pp.3386- 3399.

16. Ma Q. and R.H.Tipping., The averaged density matrix in the coordinate representation: Application to the calculation of the far-wing line shapes for H2O, J.Chem.Phys. 1999. V.lll. No.13. pp.5909-5921.

17. Ma Q. and R.H.Tipping, Boulet C., Bouanich J.-P. Theoretical far-wing line shape and absorption for high-temperature C02// Appl. Opt. 1999. V.38. No.3. pp.599-604.

18. Творогов С.Д., Несмелова JI.И. Радиационные процессы в крыльях полос атмосферных газов.// Изв. АН СССР. сер. ФАО 1976. Т.12. №6. с.627-633.

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

20. Фомин В.В. Молекулярное поглощение в инфракрасных окнах прозрачности. Новосибирск: Наука. 1986. 234 с.

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

22. Гордов Е.П., Творогов С.Д. Метод полуклассического представления квантовой теории. Новосибирск: Наука. 1984. 167 с.

23. Tvorogov S.D., O.B.Rodimova, Spectral line shape. I. Kinetic equation for arbitrary frequency detunings// J. Chem. Phys. 1995. V.102. No.22. p.8736-8745.

24. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С.Д.Творогов, Коэффициент поглощения света в крыле полосы 4,3 мкм СО2// Изв. ВУЗов. Физика. 1980. вып.10. с.106-107.

25. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С. Д. Т во рогов, Коэффициент поглощения света в крыле полосы 4,3 мкм СО2// в кн.: Спектроскопия атмосферных газов. Новосибирск: Наука. 1982. с.4-16.

26. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С.Д.Творогов, Коэффициент поглощения в микроокнах полос углекислого газа// Изв. ВУЗов. Физика. 1982. вып.5. с.54-58.

27. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С.Д.Творогов, O.K.Войцеховская, О.Н.Сулакшина, Коэффициент поглощения в крыльях полос углекислого газа в спектральном интервале 790-910 см"1// Изв. ВУЗов. Физика. 1982. вып.5. с.105-108.

28. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С .Д. Творогов, Поглощение излучения в колебательно-вращательных спектрах молекул. Методика расчета и ее применение к С02//Деп. ВИНИТИ. 1983. №6367-83 Деп. 65с.

29. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С. Д. Творогов, Коэффициент поглощения в микроокнах и крыльях основной полосы СО// Деп. ВИНИТИ. 1985. №211-85 Деп. 38с.

30. Несмелова JI.И., О.Б.Родимова, С.Д.Т вор о го в, Температурная зависимость коэффициента поглощения СО2 в крыле полосы 4.3 мкм// Деп. ВИНИТИ. 1985. №79981. В85. 19с.

31. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С. Д. Твор о го в, О природе температурной зависимости коэффициента поглощения в далеком крыле полосы 4.3 мкм СО2// Изв.ВУЗов. Физика. 1987. вып. 12. с.42-45.

32. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С. Д. Твор о го в, Температурная зависимость коэффициента поглощения за кантом полосы 4.3 мкм СОг// ДАН СССР. 1987. Т.294. №1. с.68-71.

33. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С. Д. Тв о рогов, Методика расчета функций пропускания в колебательно-вращательных спектрах молекул и поглощение крыльями линий С02// Изв. АН СССР. ФАО. 1988. Т.24. №2. с.212-220.

34. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С. Д. Твор о го в, Спектроскопическое определение концентраций атмосферных газов по измерениям в крыльях полос// Оптика Атмосферы 1988. Т.1. №3. с.16-19.

35. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С. Д. Творого в, Контур спектральных линий в фундаментальной полосе СО// Оптика Атмосферы 1988. Т.1. №4. с.36-44.

36. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С.Д.Творогов, Поглощение излучения в крыле полосы 4.3 мкм СОг// Оптика Атмосферы 1988. Т.1. №5. с.3-18.

37. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С .Д. Творого в, Спектральный обмен и периферия контура спектральных линий. Критический обзор// Оптика Атмосферы 1990. Т.З. №5. с.468-484.

38. Nesmelova L.I., О.В .Rodimova, S .D.Tvoro gov, Far wings of spectral lines: theory, interpretation and application in atmospheric optics// in: Proc. of the Atmospheric Spectroscopy Application Workshop. Moscow. 1990. pp. 14-18.

39. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С .Д.Творогов, О поведении коэффициента поглощения при изменении давления в крыле полосы 4.3 мкм СОг// Оптика Атмосферы. 1991. Т.4. №7. с.745-752

40. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С.Д.Творогов, Спектральное поведение коэффициента поглощения в полосе 4.3 мкм СО2 в широком диапазоне температур идавлений// Оптика Атмосферы и Океана 1992. Т.5. №9. с.939-946.

41. Nesmelova L.I., O.B.Rodimova, S .D .Tvorogov, Absorption coefficient in the infrared CO2 Q-branch// in: Proc. of Symp. High-Resolution Molecular Spectroscopy. SPIE Volume No.1811. 1992. pp.295-297.

42. Nesmelova L.I., O.B.Rodimova, S .D .Tvorogov, Spectral behavior of the intermediate part of spectral line at different pressures// in: Proc. of Symp. High-Resolution Molecular Spectroscopy. SPIE Volume No.2205. 1993. pp.352-355.

43. S.D.Tvorogov, O.B.Rodimova, Kinetic equation in the line shape theory// in: ASA Reims 93 Workshop Proc., A.Barbe and L.Rothman Eds. 1993. pp.109-112.

44. H есмелова JI.И., О.Б.Родимова, С .Д .Творог о в, К вопросу о физической картине периферии контура спектральных линий// Оптика Атмосферы и Океана 1994. Т.7. №3. с.421-424.

45. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С .Д.Творогов, Особые точки в температурной зависимости коэффициента поглощения в полосе 4.3 мкм СО2// Оптика Атмосферы и Океана 1994. Т.7. №11-12. с. 1486-1488.

46. Т ворогов С.Д., Л.И.Несмелова, О.Б.Родимова, Модельное описание температурной зависимости поглощения Н20 в окне прозрачности 8-14 мкм// Оптика Атмосферы и Океана 1994. Т.7. №11-12. с. 1482-1485.

47. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С .Д.Творогов, Поглощение водяным паром в близкой инфракрасной области и некоторые геофизические следствия// Оптика Атмосферы и Океана 1997. Т. 10. №2. с. 131-135.

48. Несмелова Л.И., О.Б.Родимова, С.Д.Творогов. О форме контура спектральной линии для различных полос НгО в ближней ИК-области спектра// Оптика Атмосферы и Океана 1998. Т.П. №5. с.435 -439.

49. Nesmelova L.I., O.B.Rodimova, S.D .Tvorogov, On temperature dependence of the Water vapor continuum absorption coefficient// in: Proc. of SPIE. Fifth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics. 1998. V.3583. pp.30-34.

50. Несмелова Л.И., Пхалагов Ю.А., Родимова О.Б., Творогов С.Д., Ожегов В.Н., Щелканов Н.Н. К вопросу о природе атмосферного аномальногопоглощения коротковолновой радиации// Оптика Атмосферы и Океана 1999. Т.12. №3. с.288-293.

51. Саттаров X., Тонков М.В. Исследование ИК-поглощения в крыле колебательно-вращательной полосы V3 СОгП Оптика и спектроскопия 1983. Т.54. вып.6. с.944-946.

52. Докучаев А.Б., Павлов А.Ю., Тонков М. В. Форма полосы V3 С О2 вблизи канта// Оптика и спектроскопия 1985. Т.58. вып.6. с.1252-1255.

53. Докучаев А.Б., Тонков М.В. Определение формы крыльев колебательно-вращательных линий двуокиси углерода// Оптика и спектроскопия 1980. Т.48. вып.4. с.738-743.

54. Докучаев А.Б., Тонков М.В., Филиппов Н.Н. Интерференция колебательно-вращательных линий в ИК полосе V3 N2O// Оптика и спектроскопия 1983. Т.55. вып.2. с.280-284.

55. Bulanin М.О., Dokuchaev А.В., Tonkov M.V., Filipov N.N. Influence of the line interference on the vibratio-rotation band shapes// JQSRT 1984. V.31. N0.6. pp.521-543.

56. Cousin C., LeDoucen R., Boulet C., Henry A., Robert D. Line coupling in the temperature and frequency dependence of absorption in the microwindows of the 4.3-pm CO2 band// JQSRT 1986. V.36. N0.6. pp.521-538.

57. Boulet C., Boissoles J., Robert D. Collisionally induced population transfer effects in infrared absorption spectra. I. A line-by-line coupling theory from resonances to the far wing// J.Chem.Phys. 1988. V.89. No.2. pp.625-634.

58. Winters B.H., Silverman S., Benedict W.S. Line shape in the wing beyond the band head of the 4.3 ц band of C02// JQSRT 1964. V.4. No.4. pp.527-537.

59. Benedict W.S., Herman R., Moore G.E., Silverman S. The strengths, widths and shapes of lines in the vibration-rotation bands of CO// Astrophys. J. 1962. V.135. No.l. pp.277297.

60. Burch D.E., Gryvnak D.A., Patty R.R., Bartky Ch.E. Absorption of infrared radiant energy by CO2 and H2O. IV. Shapes of collision -broadened CO2 lines// J.Opt.Soc Amer. 1969. V.59. No.3. pp.267-280.

61. Москаленко Н.И., Зотов О.В. Новые экспериментальные исследования и уточнение функции спектрального пропускания С02: параметры линий// Изв. АН СССР. ФАО. 1977. Т.13. №5. С.488-498.

62. Москаленко Н.И., Паржин С.Н. Исследования спектров поглощения углекислого газа при повышенных давлениях// в кн.: 6 Всесоюз. Симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: ИОА СО АН СССР. 1981. с. 110-113.

63. Menoux V., LeDoucen R., Boulet С. Line shape in the low-frequency wing of self-broadened C02 lines. Appl. Optics 1987. V.26. No.3. pp.554-562

64. Кузнецова Э.С., Осипов B.M., Подкладенко M.B. Исследование поглощения С02 за кантом полосы 4.3 мкм при повышенных температурах// Оптика и спектроскопия. 1975. Т.38. вып. 11. с.36-39.

65. Scutaru D., Rosenmann L., Taine J. Approximate intensities of C02 hot bands at 2.7, 4.3, and 12 цт for high temperature and medium resolution applications// JQSRT 1994. V.52. No.6. pp.765-781.

66. Scutaru D., Rosenmann L., Taine J., Wattson R.B., Rothman L.S. Measurements and calculations of C02 absorption at high temperature in the 4.3 and 2.7 ц m regions//JQSRT 1993. V.50.No.2, 179-191.

67. Levi Di Leon R., Taine J. Infrared absorption by gas mixtures in the 300-850 К temperature range. I 4,3 цт and 2,7 цт C02 spectra// JQSRT. 1986. V.35. No.5. P.337-347.

68. Burch D.E., Gryvnak D. A. Absorption of infrared radiant energy by С02 and Н20. V. Absorption by C02 between 1100 and 1835 cm"1 (9,1-5,5 цт)// J.Opt.Soc.Am. 1971. V.61. No.4. pp.499-503.

69. Burch D.E. Investigation of the absorption of infrared radiation by atmospheric gases// in: Semi-annual Technical report. Air Force Cambridge Research Lab., Publ. U-4784 under contract ■N° F 19628-69-C-0263 (31 January 1970).

70. Малкевич М.С., Георгиевский Ю.С., Розенберг Г.В., Шукуров А.Х., Чавро А.И. О прозрачности атмосферы в ИК области спектра// Известия АН СССР. ФАО. 1973. Т.9. №12. с.1257-1268.

71. Шукуров А.Х., Малкевич М.С., Чавро А. И. Экспериментальные исследования закономерностей спектрального пропускания радиации вертикальным столбом атмосферы в окнах интервала 2-13 мкм// Известия АН СССР. ФАО. 1976. Т.12. №3. с.264-271.

72. Кондратьев К.Я., Бадинов И.Я., Ащеулов С.В., Андреев С.Д. Некоторые результаты наземных исследований инфракрасного спектра поглощения и теплового излучения атмосферы// Известия АН СССР. ФАО. 1965. Т.1. №4. с.363-376.

73. Юрганов JI.H., Дианов-Клоков В.И. О зависимости диффузного ослабления в окне прозрачности 8-13 мкм от влажности// Известия АН СССР. ФАО. 1972. Т.8. №3.с.327-332.

74. McCoy J.H., Rensh D.B., Long R.R. Water vapor continuum absorption of carbon dioxide laser radiation near 10 ц m//Appl.Opt. 1969. V.8. No.7. pp.1471-1478.

75. Bignell K.J. The water vapor infrared continuum// Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1970. V.96. No.409. pp.390-403.

76. Арефьев B.H., Дианов-Клоков В.И., Сизов Н.И. Исследование поглощения излучения С02-лазерв водяным паром// в кн.: 3 Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: 1975. с. 130-131.

77. Арефьев В.Н., Дианов-Клоков В.И., Сизов Н.И. О механизме поглощения излучения в континууме водяного пара при 1000 см"1// Труды ИЭМ 1976. в.4(61). с.11-17.

78. Lee A.C.L. A study of the continuum within 8-13 mm atmospheric window, Quart. J. Roy. Met. Soc. 1973. V.99. No.421. pp.490-505.

79. Tomasi C, R.Guzzi, and О .Vittori, A search for e-effect in the atmospheric water vapor// J.Atm.Sci. 1974. V.31. No.l. pp.255-260.

80. Roberts R.E., Selby J.E.A. and Biberman L.M. Infrared continuum absorption by atmospheric water vapor in the 8 -12 mm window// Appl. Opt. 1976. V.15. No.9. pp.2085 -2090.

81. Арефьев B.H. Молекулярное поглощение водяным паром излучения в окне относительной прозрачности атмосферы 8-13 мкм// Оптика атмосферы 1989. Т.2. № 10. с.1034- 1054.

82. Щелканов Н.Н., Пхалагов Ю.А., Ужегов В.Н. Исследование континуального поглощения водяного пара в натурных условиях в области 10.6 мкм// Оптика Атмосферы и Океана 1992. Т.5. № 7. С.681-687.

83. Stephens G.L. and Tsay S. On the cloud absorption anomaly// Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 1990. V.116. pp.671-704.

84. Thomas M.E. and Nordstrom R.J. Line shape model for describing infrared absorption by water vapor//Appl. Optics 1985. V.24. No.21. pp.3526-3530.

85. Clough S.A., Kneizys F.X., and Davies R. W. Line shape and the water vapor continuum// Atm.Res. 1989. V.23. pp.229-241.

86. Clough S.A. Radiative transfer model development in support of the atmospheric radiation measurement program// Proc. of the Third Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science Team Meeting, Murch, 1993, p. 11-17.

87. Докучаев А.Б., Тонков M.B. О нелорентцевском характере поглощения внутри колебательно-вращательной полосы 1-0 окиси углерода// Оптика и спектроскопия 1984. Т.56. вып.2. с.247-254.

88. Abe 1 L. L. Deviation from Lorentzian shape in the wings of collision-broadened infrared absorption line of NO// JQSRT 1973. V.13. No.7. pp.666-667.

89. Varanasi P., Sarangi S.K., Tejwani G.D.F. Line shape parameters for HC1 andHF in a C02 atmosphere// JQSRT 1972. V.12. No.5. pp.857-872.

90. Benedict W.S., Herman R., Moore G.E., Silverman S. The strengths, widths and shape of infrared lines. The HCL fundamental// Canad. J. Phys. 1956. V.34. No.8. pp.850-875.

91. Varanasi P. Shapes and widths of ammonia collision-broadened by hydrogen// JQSRT 1972. V.12. No.9. pp.1283-1291.

92. Арефьев B.H., Вишератин K.H., Несмелова Jl.И., и др. Коэффициент поглощения излучения аммиаком при самоуширении// в кн.: 6 Всесоюзн. Симп. По молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения, ч. 2. Томск: ИОА СО АН СССР. 1982. с.67-69.

93. Tr affton L. Ammonia line profiles: on deviation from the Lorentz shape// JQSRT 1973. V.13. No.7. pp.821-822.

94. Файн В .M. Квантовая радиофизика. Фотоны и нелинейные среды. Т.1. Москва: Советское Радио. 1972. 472 с.

95. Fiutak J. and Van-Kranendonk J.//Can. J. Phys. 1962. V.40. pp.1085.

96. Апанасевич П.А., Килин С.Я., Низовцев А.П. Ж.Прикл.Спектроск. 1987. Т.47. с.887.

97. R. G. Breen, Jr., Theories of Spectral Line Shape New York: Wiley. 1981.

98. Wilcox R. M. Exponential operators and parameter differentiation in quantum physics// J. Math. Phys. 1967. V.8. No.4. pp.962-982.

99. Никитин Е.Е. Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах. Москва: Химия. 1970. 455 с.

100. Gordov Е.Р. and Tvorogov S.D. Semiclassical representation method in statistical physics of interacting molecules// Physica 1983. V.119A. pp.339-355.

101. Gordov E.P. Quantum theory of the "classical" intermolecular interaction potential// Phys. Rev. 1981. V.24A. No.4. pp.1705-1712.

102. Ландау Л. Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика. Москва: Физматгиз. 1964. с.

103. Roy er A. Cumulant expansions and pressure broadening as an example of relaxation// Phys.Rev. 1972. V.6A. N0.5. pp.1741-1760; Density expansion of the memory operator in pressure-broadening theory// Phys.Rev. 1973. V.7A. No.3. pp.1078-1092.

104. Бурштейн А.И., Сторожев А.В., Стрекалов M.Л. Немарковская бинарная теория интерференции спектральных линий// ЖЭТФ 1985. Т.89. вып.3(9). с.796-807

105. К iprianov A.A., Doktorov A.V., and Burshtein A.I. Binary theory of dephasing in liquid solutions. I. The non-markovian theory of encounters// Chem. Phys. 1983. V.76.pp. 149-162.

106. Раутиан С.Г., Смирнов Г.И., Шалагин A.M. Нелинейныерезонансы с спектрах атомов и молекул. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние. 1979. 312с.

107. Tsao С.J., Curnutte В. Line-widths of pressure-broadened spectral lines//JQSRT 1962, V.2, No.l, p.41-91.

108. Бом Д. Квантовая теория. М.: Наука. 1965. 728 с.

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

110. Бурштейн А.И., Темкин С.И. Спектроскопия молекулярного вращения в газах и жидкостях. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние. 1982. 119 с.

111. Вайнштейн А., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. Москва: Наука. 1979. 820 с.

112. Пестов Е.Г. ТрудыФИАНим. Лебедева. 1988. Т.187. с.60

113. Родимова 0. Б., Творогов С. Д. Обращение данных по поглощению в крыле полосы 4,3 мкм СОг для восстановления потенциала межмолекулярного взаимодействия//

114. В кн.: Ill Всесоюзное совещание по атмосферной оптике и актинометрии. Ч.П. Томск. 1983. с.152-154.

115. Родимова О.Б., Рыскаленко В.И. Восстановление потенциалаММВ из данных по поглощению в крыльях линий// Материалы 8 Всесоюзн, Симпозиума по спектроскопии высокого разрешения. 4.1. Томск. 1988. с. 106-111.

116. Буланин М.О., Булычев В.П., Гранский П.В., Коузов А.П., Тонков М. В. Исследование функций пропускания С02 в области полос 4.3 и 15 мкм// В кн.: Проблемы физики атмосферы. Вып. 13. JT.: Изд. ЛГУ. 1976. с. 14-24.

117. Родимова О.Б. Восстановление потенциалов межмолекулярных взаимодействий из эксперимента и некорректные обратные задачи// в кн.: Спектроскопия конденсированных сред. Киев: Наукова Думка. 1988. с.35-40.

118. Телегин Г.В., Фомин В.В. Восстановление температурных вариаций эффективного межмолекулярного потенциала из спектроскопических измерений поглощения ИК-излучения// Ж. физ. химии 1983. Т.57. №7. с. 1723-1727.

119. Фомин В.В. Интерпретация экспоненциального спада коэффициента поглощения за кантом полосы 4.3 мкм углекислого газа// Оптика и спектроскопия 1973. Т.34. вып.2. с.243-246.

120. Телегин Г.В., Фомин В.В. О возможности аналитической аппроксимации формы линий в колебательно-вращательных спектрах молекул// Томск: ИОА. АН СССР. Сиб. Отд-ние. 1979. 53 с. Препринт №26

121. Le Doucen R., Cousin С., Boulet С., Henry A. Temperature dependence of the absorption in the region beyond the 4.3 mm band of C02.1: Pure C02 case// Appl. Opt. 1985. V.24. No.6. pp.897-906.

122. Cousin С., LeDoucen R., Boulet C., Henry A. Temperature dependence of the absorption in the region beyond the 4.3-цт band head of C02. 2: N2 and 02 broadening// Appl. Optics 1985. V.24. No.22. pp.3899-3906.

123. Адикс Т. Г., Гальцев А. П. Температурная зависимость коэффициента поглощения в канте полосы 4,3 мкм С02// Изв. АН СССР. сер.ФАО. 1984. Т.20. № 7. с.653-657.

124. Hartmann J.M., Perrin М. Y. Measurements of pure CO2 absorption beyond the v3 band at high temperatures// Appl. Opt. 1989. V.28. No.l3. pp.2550-2553.

125. Perrin M.Y., Hartmann J. M. Temperature dependent measurements and modeling of absorption by CO2-N2 mixtures in the far line - wings of the 4.3 mm CO2 band// JQSRT 1989. V.42. No.4. pp.311-317.

126. Родимова О.Б. Контур спектральных линий СО2 при самоуширении от центра до далекого крыла// Оптика Атмосферы и Океана. 2002. Т.15. №9. с.768-777.

127. Hartmann J.M., Boulet С. Line mixing and finite duration of collision effects in pure CO2 infrared spectra: Fitting and scaling analysis// J.Chem.Phys. 1991. V.94. No.10. pp.64066419.

128. Творогов С.Д. Проблема периферии контура спектральных линий в атмосферной оптике// Оптика Атмосферы и Океана. 1995. Т.8. №1-2. с. 18-30.

129. Баранов Ю.И., Буланин М.О., Тонков М.В. Исследование крыльев линий колебательно-вращательной полосы Зуз СО2// Оптика и спектроскопия 1981. Т.50. №3. с. 613-615.

130. Телегин Г.В., Фомин В. В. Расчет коэффициента поглощения в спектре СО2. Периферия полос 4.3, 2.7, 1.4 мкм// Оптика и спектроскопия 1980. Т.49. вып.4. с.668-675

131. Burch D. Е. in: Semi-annual Technical report. Air Force Research Cambridge Lab. Publ. U-4784 under contract NF 19628-69-C-0263 (31 January 1970).

132. Madden R.P. J.Chem.Phys. 1961. V.35. pp.2083-.

133. Rothman L.S., Benedict W.S. Infrared energy levels and intensities of carbon dioxide// Appl.Opt. 1978. V.17. No. 16. pp.2605-2611.

134. Boissoles J., Menoux V., Le Doucen R., Boulet C., Robert D. Collisionally induced population transfer effects in infrared absorption spectra. II. The wing of the Ar-broadened V3 band of CO2, J.Chem.Phys. 1989. V.91.No,4. pp.2163-2171.

135. Lowder J.F. Self-broadened half-width measurements in the CO fundamental// JQSRT 1971. V.ll. No.U. pp.1647-1657.

136. Докучаев А.Б., Тонков M.B. Форма внутренней части колебательно-вращательной полосы 1-0 СО// В кн.: VI Всесоюзный симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Томск: ИОА. Тез. докл. 4.II. 1982. с. 89-92.

137. Докучаев А.Б., Тонков М.В. Влияние температур на контур колебательно-вращательной полосы 1-0 СО// В кн.: VI Всесоюзный симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Томск: ИОА. Тез. докл. 4.II. 1982. с.93-96.

138. Лаврентьева Н.Н., Телегин Г.В. Поглощение в микроокнах прозрачности основной полосы спектра СО// в кн.: VII Всесоюзный симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Томск: ИОА. 1986. ч.Ш. с.256-260.

139. Жевакин С. А., Наумов А.П. О коэффициенте поглощения электромагнитных волн водяным паром в диапазоне 10 мкм 2 см// Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1963. Т.6. №4. с.674-693.

140. Жевакин С. А., Наумов А.П. О коэффициенте поглощения электромагнитных волн водяным паром в диапазоне 10 мкм 2 см// Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1967. Т. 10. JV09-IO. с.1213-1243.

141. Рядов В.Я., Фурашов Н.И. Исследование спектра поглощения радиоволн атмосферным водяным паром в диапазоне 1.15 1.5 мм// Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1972. Т.15. №10. с. 1969-1974.

142. Москаленко Н.И. Коэффициент континуального поглощения радиации при соударениях молекул Н20 N2 иН20 - Н20 в области спектра 8-14 мкм// Известия АН СССР. ФАО. 1974. Т. 10. №9. с.999-1001.

143. Peterson J.С., Thomas М.Е., Nordstrom R.J., Damon E.K. Long R.K. Water vapor nitrogen absorption at C02 laser frequencies. Appl.Opt. 1979. V.18, No.6. pp.834841.

144. Van Vleck J. H, Margenau H. Collision theories of pressure broadening of spectral lines// Phys. Rev. 1949. V.76. No.8. pp.1211-1214.

145. Montgomery G.P. Temperature dependence of infrared absorption by the water vapor continuum near 1200 cm'1// Appl. Optics 1978. V.17. No.15. pp.2299-2303.

146. Телегин Г.В., Фомин В.В. Интерпретация температурной зависимости коэффициента поглощения в атмосферном оне прозрачности 8-12 мкм на основе обобщенного контура// Журн. прикл. спектроскопии 1983. Т.38. вып.2. с.333-336.

147. Burch D.E. and Alt R.L. Continuum absorption by H20 in the 700 1200 cm-1 and 2400 - 2800 cm-1 windows// Report AFGL-TR-84-0128 to the U.S. Air Force Geophysics Laboratory, Hanscom Air Force Base. Mass. 1984.

148. Вurch D.E. Continuum absorption by atmospheric H20// Report AFGL-TR-81 -0300 by Ford Aeronutronic to AFGL. Hanscom AFB. Mass. 1981.

149. Кондратьев К.Я., Биненко В.И., Мельникова И.Н. Поглощение солнечной радиации облачной и безоблачной атмосферой// Метеорология и гидрология 1996. №2. с. 14-23.

150. Пхалагов Ю.А., Ужегов В.Н., Щелканов Н.Н. Аэрозольное ослабление оптического излучения в атмосфере аридной зоны// Оптика Атмосферы и Океана 1994. Т.7. №6. с.714-720

151. Fulghum S.F. and Tilleman М.М. Interferometric calorimeter for the measurement of water-vapor absorption// J. Opt. Soc. America B. 1991. V.8. No.12. pp.2401 2413.

152. Капитанов В. А., Пономарев Ю.Н., Тырышкин И.С. Поглощение излучения ближнего ИК и видимого диапазонов спектра в микроокнах прозрачности атмосферы. Оптика атмосферы и океана 1997. Т.10. №12. с.1481-1484.

153. Susskind L, Searl J.E. Atmospheric absorption near 2400 cm"1// J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1977. V.18. No.6. pp.581—587.

154. Kaplan D.L., Chahine M.T., Susskind J., Searl J. E. Spectral band passes for high precision satellite sounder//Appl. Optics 1977. V.16. No.2. pp.322-325.

155. Shapiro M.M., Qush M.P. The collision-induced fundamental and first overtone bands of oxygen and nitrogen// Can. J. Phys. 1966. V.44. pp.949-963.

156. Несмелова Л.И., Родимова О.Б., Творогов С.Д. Расчет атмосферного поглощения в области 2400 см*1// в кн.: 7 Всесоюзн. симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Тезисы докладов. Томск. 1986. с.148-152.

157. Bernstein L.S., Robertson D.S., С о n a n t J.Q., Sandford В.Р. Measured and predicted atmospheric transmission of continuum absorption by CO2 and N2// Appl. Optics 1985. V.18. No.14. pp.2454-2461.

158. Can n M.W.P., N i cho 11 s R.W., Rone у P.L., Lane hard A.B., F i n d lay F.D. Spectral line shapes for carbon dioxide in the 4.3-mm band// Appl. Optics 1985. V.24. No.9. pp. 1374-1384.

159. Акименко P.M., Арефьев B.A., Камен оград с кий Н.Е., Сизов Н.И., Устинов В.П. О спектроскопическом методе определения содержания СО2 в атмосфере// Метеорология и гидрология 1979. № 6. с.102-105.

160. Глава 2. Применение рядов экспонент для расчета радиационных величин

161. Перечислим теперь основные вопросы, обсуждаемые ниже в данной главе.

162. В п.2.1 приведены стандартные выражения для радиационных потоков в случае плоской стратифицированной атмосферы, которые будут необходимы в дальнейшем изложении.

163. В п.2.4 обсуждается способ расчета интегралов с функцией источника, которые являются необходимой составной частью в применении рядов экспонент к рассмотрению уравнения переноса в п.2.5.

164. В п.2.6 приведены основания использования в line-by-line расчетах поглощения водяным паром сравнительно большого шага при интегрировании по частоте без потери точности.

165. В п.2.7 предлагается процедура получения однопараметрических аппроксимационных формул для функций пропускания, учитывающих обусловленные формой контура линии спектральные свойства коэффициента поглощения.

166. Выражения для радиационных потоков в случае плоской стратифицированной атмосферы

167. Приведем выражения для радиационных потоков в случае плоскойстратифицированной атмосферы (см., например, 35-39.).

168. Спектральным потоком, по определению, является величина спектральнойинтенсивности излучения, проинтегрированная по всем направлениям излучения.

169. Проинтегрированные по частоте спектральные потоки теплового излучения имеют вид1' 12 со 1 — | к(о), z')ck' да z . —¡к(ю,z")dz"

170. F*(z) = 2ti ¡doB(o,z = 0) (ф ц е +2п jda \<к'к(<а,г')В(<о,г') (фе (2.1)0 0 0 0 оj z'оо оо 1 —

171. Fl{z) = -2n Jdco Jafe'K(co,z')5(co,z') \d\ie (2.2)0 z О

172. Здесь z высота, B(a>,z) - функция Планка, (i = cosG, G - угол между вертикалью z и направлением луча, к(ю,z) - коэффициент поглощения.

173. Запишем выражения для потоков через функцию пропускания. Обычно используется следующее обозначение для функции пропускания1 z'1 — J к(z")ck"t(Z',Z) = 2/ф ре Ц г . (2.3)О

174. Выражения для потоков (2.1), (2.2) с учетом (2.3) могут быть переписаны в виде00 СО 2 it Л

175. F (z) — 71 JdtO CO,Z = 0)t(z,0) + 71 Jdco \dz'B{ co.z') —j-—, (2.4)0 0 0

176. F\z) = я Ъсо Idz' B(co,z') . (2.5)0 z ^

177. Могут быть также полезны выражения для потоков через производную от функции Планка. Чтобы получить их, нужно произвести в (2.4) и (2.5) интегрирование по частямf1 (г) = 71 jekо г) я Jdto t(z, z') v # ;, (2.6)0 0 000 CO 00 Д

178. F4(z) = 71 {¿co B(co,oo)t(qo,z) B{со,г). -тт {¿со jflfe' x(z\z) y* '. (2.7)0 0 г ^

179. Функция пропускания для эквивалентного поглощающего слоя х в однородной газовой среде определяется выражением1 0)"

180. Р(х) = — \e~xk(a)d(d, Дсо = со" со' (2.8)1. Дс0со'где к{со) молекулярный коэффициент поглощения на частоте со .

181. Таким образом, можно сформулировать утверждение, что наиболее рациональным способом разложения функции поглощения в ряд экспонент является использование функции распределения коэффициентов поглощения g(s), для которой могут быть получены точные формулы.

182. Проиллюстрируем вывод выражения для коэффициентов разложения в случаеоднородной среды. Из (2.8) и (2,12) после перестановок jetси jrfeo появляется интегралj C + /002л7 Ldx1. МИ)Iy > А: (со) 5 = А: (со) s < &((ü)2.15)

183. Теперь мы должны вычислить0.21. J Ф(со)ЛО1. О,.где Ф(со) есть разрывная функция, к{(й)< s и Ф(ю) =2.16)1 Ю Í < СО < СО 21. Ю = СО ¡ (или COj)2.17)

184. Величина (2.16) может быть вычислена через интеграл Стилтьеса с результатом= со^ -©i»что приводит кg(s)=—2.18)k((o)<s,(o4a',m".

185. Рис.2.1. Функция есть суммаинтервалов, отмеченных на оси абсцисс.22.2. Алгоритм упорядочения коэффициентов поглощения для однородной среды

186. Как упоминалось выше, для однородных трасс нахождение коэффициентов разложения по формуле (2.18) практически совпадает с традиционным для идеологии к-распределений упорядочиванием коэффициентов поглощения по их величине.

187. Рйс.2.2. Коэффициент поглощения водяного пара и функция , являющаяся результатом его упорядочения по величине в интервале 1380-1900 см"1.