Нелинейная колебательно-вращательная спектроскопия неравновесных многокомпонентных газов и ее применение в диагностике атмосферы (1097760)
Текст из файла
На правах рукописиИВАНОВ Сергей ВикторовичНЕЛИНЕЙНАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНАЯСПЕКТРОСКОПИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВДИАГНОСТИКЕ АТМОСФЕРЫСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена в Институте проблем лазерных и информационныхтехнологий Российской Академии наук.Научный консультант:доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАНПанченко Владислав Яковлевич.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорОсипов Алексей Иосифович,доктор физико-математических наук, профессорГурашвили Виктор Арчилович,доктор физико-математических наук, профессорСтепанов Евгений Валерьевич.Ведущая организация:Санкт-Петербургский государственный университет.Защита состоится "15" июня 2006 г. в 16 часов на заседаниидиссертационногосоветаД 501.001.31приМосковскомгосударственном университете им.
М.В. Ломоносова по адресу:119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. АкадемикаХохлова, д. 1, Корпус нелинейной оптики.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ.Автореферат разослан"______" мая 2006 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31доцентТ.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыНапротяжениипоследнихдесятилетийлинейнаяинелинейнаяколебательно- вращательная (КВ) спектроскопия молекулярных газов была однойиз быстро развивающихся областей оптики, молекулярной кинетики и лазернойфизики. Исследования в этой области преследовали две цели: 1) решение прямойзадачи – прогнозирование оптических свойств газовой среды в заданных условиях сиспользованием априорных сведений о спектрах поглощения и рассеяния и 2)решение обратной задачи – определение параметров свободных молекул и ихвзаимодействий на основе измеренных спектров, а также извлечение из этихспектров информации о химических и термодинамических свойствах исследуемойсреды.
Современные методы КВ спектроскопии широко используют арсеналлазерной физики, они являются эффективным и удобным инструментом вразличных фундаментальных и прикладных исследованиях. Достаточно упомянуть,что результаты таких исследований необходимы для лазерного управленияхимическими реакциями, разделения изотопов, оптической накачки активных средлазеров, обращения волнового фронта, лазерной локации и идентификацииобъектов, передачи энергии излучения сквозь атмосферу, оптической связи,навигации, диагностики состояния атмосферы и антропогенных загрязнений.Ключевая проблема данной области – исследование поглощения излученияразличнойинтенсивности,длительностииспектральногосостававмногокомпонентных газах, находящихся как в квазиравновесных, так и в сильнонеравновесных условиях.
Особенность теоретического анализа взаимодействияизлучения с молекулярными газами состоит в следующем: 1) необходим учетмногочисленныхвзаимосвязанныхпроцессовоптическоговозбужденияирелаксации с использованием детальной информации об их сечениях; 2) дляполучениятакойинформациинужныподробныеданныеопараметрахспектральных линий и о константах скоростей столкновительной релаксацииэнергетических уровней; 3) расчет сечений поглощения предполагает знание нетолько положений и интенсивностей спектральных линий, взаимодействующих сизлучением, но и их ширин, сдвигов и форм контуров, определяющихсястолкновениями (для получения такой информации, как и для константстолкновительнойпотенциальнойрелаксации,энергиинужнынадежныемежмолекулярногоданныевзаимодействия);оповерхностях4)вслучаенеравновесного газа дополнительно надо знать функции распределения молекул по3соответствующим степеням свободы; 5) решение современных практических задачневозможно без применения численных методов и ЭВМ.Отметим, что хотя теоретические представления о фундаментальныхпроцессах остались неизменными со времен 20-50-х годов ХХ века, решение многихважных задач долгое время сдерживалось отсутствием трех факторов: а) методовдетального теоретического моделирования взаимосвязанных процессов, б) точнойколичественной информации о характеристиках этих процессов, в) доступных ЭВМс высоким быстродействием и большими объемами оперативной и внешней памяти.За последние 10-20 лет вычислительная техника совершила рывок вперед, а успехиэкспериментальной и теоретической молекулярной спектроскопии высокого исверхвысокого разрешения позволили создать компьютерные базы (атласы)параметров спектральных линий (ПСЛ) атмосферных и примесных газов (например,HITRAN, GEISA).
Это стимулировало развитие вычислительной линейнойспектроскопииравновесныхмолекулярныхгазов.Появилисьтеоретическиеметодики и комплексы программ для количественного моделирования сложныхмногофакторныхзадачспектроскопииатмосферы(например,программыLOWTRAN, MODTRAN, FASCODE, информационные системы АТЛАС и LARA).В то же время до сих пор остаются неясными многие важные вопросыспектроскопических проявлений межмолекулярных взаимодействий (уширения исдвига линий, образования комплексов, формирования спектров в условияхперекрытия линий и др.). Все это снижает предсказательную силу указанныхмоделей и программ линейной равновесной КВ спектроскопии, ограничивая областьих применимости.Количественные модели нелинейной и неравновесной КВ спектроскопииразработаны значительно хуже.
Ряд процессов трактуется упрощенно, что ведет ксистематическим ошибкам при решении прямых и обратных задач. Большинстворабот посвящено поиску новых эффектов и выяснению соответствующих имкачественных закономерностей, количественные же результаты носят, скорее,оценочный характер. Иногда отсутствует даже полная ясность физической картиныявления. В силу всех этих причин моделирование нелинейных и неравновесныхэффектов до сих пор не стало стандартной компьютерной процедурой, основаннойна использовании баз ПСЛ.
Данное обстоятельство сильно ограничиваетвозможности(точность,гибкость,разнообразие)практическихметодов,использующих спектральную информацию в качестве исходной. В частности, это4касается быстро развивающейся области лазерной диагностики многокомпонентныхсред.Цель диссертационной работы состояла в разработке методов количественногомоделирования КВ спектров линейного и нелинейного поглощения неравновесныхгазовых смесей малоатомных молекул и решении с помощью этих методов рядаактуальных задач диагностики загрязненной атмосферы.Для достижения сформулированной цели необходимы исследования по тремнаправлениям: 1) получение фундаментальной информации о процессах (ширины иформы спектральных линий, константы скоростей релаксации и др.); 2) разработкатеоретическихметодикикомпьютерныхпрограммдлямоделированиявзаимосвязанных физических эффектов; 3) проведение самосогласованных расчетовдля реальных условий с учетом многочисленных факторов.В рамках этих направлений необходимо решить следующие задачи:- выяснить влияние лазерно- индуцированной неравновесности распределений поскоростям, возникающей при инфракрасном (ИК) возбуждении молекулярного газапри малых давлениях, на коэффициент поглощения, показатель преломления ивероятность колебательного возбуждения (в конечном счете, на величинупоглощенной газом энергии излучения);- исследовать ИК лазерное возбуждение нижних колебательных уровней молекул сучетом их вращательной структуры, столкновительного уширения и релаксации;- провести моделирование нелинейного и неравновесного поглощения излучения ватмосфере и других многокомпонентных средах;- выбрать надежные (не нуждающиеся в подгоночных параметрах) методы дляполучения отсутствующих или уточнения имеющихся данных о сеченияхстолкновительных процессов (вращательной релаксации, образовании комплексов,уширении спектральных линий) в равновесных и неравновесных условиях;- разработать методы и программы для решения актуальных задач ИК имикроволновойспектроскопиимногокомпонентныхсредзагрязненной(например,атмосферысамолетногоследа),ивтомдругихчислемногочастотного лазерного газоанализа смесей в ИК диапазоне.
В этой связи нужнотакже исследовать возможности применения неравновесной ИК спектроскопии кдетектированию малых газовых составляющих атмосферы.Научная новизна работыВыполнен цикл теоретико-численных работ, направленный на разработкуметодов количественного моделирования процессов, влияющих на формирование5ИК и микроволновых спектров поглощения газовых смесей малоатомных молекул вравновесных и неравновесных условиях.1. Построена теоретическая модель ИК возбуждения колебательных уровнеймолекул, учитывающая в отличие от ранних работ лазерно- индуцированнуюнеравновесность распределений частиц по скоростям. Предложена процедураодновременногоизмеренияскоростейупругойивращательнонеупругойстолкновительной релаксации заселенностей КВ уровней.2.
Развит математический аппарат для расчета с помощью баз ПСЛ типа HITRANспектров поглощения неравновесных молекулярных газов, а также лазерного ИКвозбуждениянижнихколебательныхуровнейсучетомстолкновительнойвращательной и колебательной релаксации. Предложена строгая (не использующаятеориювозмущений)методикачисленногомоделированиядвухчастотноголазерного возбуждения КВ уровней малоатомных в столкновительных условиях.Детальность описания процессов в предложенных моделях позволила обнаружить иисследовать ряд неизвестных ранее эффектов.3. Предложена самосогласованная теоретико- численная методика моделированиянелинейного и неравновесного поглощения атмосферного воздуха в ИК диапазоне,обусловленного, главным образом, Н2О и СО2. Разработана модель континуальногопоглощения H2O в колебательно неравновесных условиях.4.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
