Нелинейная колебательно-вращательная спектроскопия неравновесных многокомпонентных газов и ее применение в диагностике атмосферы (1097760), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В то же время был обнаружен ряднетривиальных тепловых и нетепловых эффектов, которым в атмосферной оптикеуделялосьмаловнимания:индуцированноепоглощение;отрицательноепоглощение, обусловленное как полной, так и частичной инверсией заселенностейуровней; сдвиг микроокон прозрачности; взрывное поглощение излучения.Обнаружены интересные особенности динамики коэффициента поглощения α(t),обусловленные нагревом воздуха.
Так, например, учет роста температуры20кардинально меняет зависимость α(t) на временах t > 1 мкс (см. Рис. 4). Именноростом температуры в рассматриваемых условиях обусловлен и взрывной ростпоглощения. Отметим интересную особенность зависимости характера измененияα(t) от интенсивности накачки: взрывное поглощение наиболее выражено приумеренных интенсивностях I; с увеличением же I эффект постепенно пропадает,переходя в просветление. Некоторые из указанных эффектов (сдвиг микрооконпрозрачности,отрицательноепоглощение)могутбытьиспользованыдляпросветления атмосферы в узких спектральных интервалах, что приведет также кзначительному снижению теплового расплывания лазерного пучка.Рис. 4.
Насыщение поглощения (а)и взрывное поглощение (б) в парахводы. Зависимость от временикоэффициента поглощения α,отнесенногокначальномуравновесному значению α0 .Накачка основной полосы (000)(010) H2O при ν=1684,8345 см-1 (а)и горячей полосы (010)-(020) H2Oν=1534,9355см-1(б).приИнтенсивность накачки – 0.01 (1);0.1 (2); 1 (3); 10 (4); 20 (5); 50 (6);100 (7) и 200 МВт/см2 (8). ВысотаH=0 км. Пунктир - расчет безучета роста газовой температуры(Т= Т0 = 288.2 К).Начальные значения поглощения:α0 = 18,7 м-1 (а); α0 = 0,081 м-1 (б).В разделе 3.3 рассматривается линейное и нелинейное поглощение визлучения СО лазеров атмосфере.
Эти лазеры в настоящее время являютсяперспективнымипоспектральнымиэнергетическимхарактеристикам.Проанализированы особенности спектров генерации лазеров на основном тонеv → v-1 (λ=4.9-7.5 мкм) и на первом колебательном обертоне v → v-2 (λ=2.5-4.2мкм), включая поглощение в атмосфере, где водяной пар играет основную роль.В [10] были рассчитаны спектральные характеристики селектирующих ячееки пропускания в атмосфере излучения СО лазера на основном тоне.
Показано, чтоиспользование внутрирезонаторной селектирующей ячейки длиной около 5 м снасыщенными парами воды при 200С приводит к установлению существенно нового21обедненного спектра генерации СО лазера на основном тоне. Применениеселектирующей ячейки позволяет снизить средний коэффициент поглощениямногочастотного излучения в 20-27 раз при относительной влажности воздуха 110%. В то же время при высоких интенсивностях распространение дажеотселектированного спектра излучения может быть затруднено из-за развитияэффекта лазерно- индуцированного поглощения, обусловленного нагревом воздуха.При атмосферном давлении этот эффект оказывается наиболее выраженным навременах порядка десятков и сотен микросекунд.Далее в разделе 3.3 проведен сравнительный анализ поглощения излученияобертонного СО лазера и HF/DF лазеров в атмосфере.
Показано, что многие частотыобертонного СО лазера испытывают сильное поглощение (α ≥ 1 м-1). Частоты ссильным поглощением в Н2О могут использоваться для нагрева сред, содержащихводу, а также обнаружения сверхмалых концентраций Н2О. С другой стороны,линии излучения обертонного СО лазера с λ ≥ 3.4 мкм удобны для эффективнойпередачи энергии через атмосферу. Спектральный диапазон излучения обертонногоСО лазера значительно шире, а плотность линий генерации выше, чем у HF и DFлазеров. Доля слабопоглощаемых в атмосфере частот для обертонного СО лазеравысокая и является промежуточной в сравнении с HF и DF лазерами.
Такимобразом, обертонный СО лазер обладает значительными возможностями дляприложений в атмосферной диагностике, причем эти возможности в целом больше,чем у HF/DF лазеров. Более подробно этот вопрос разобран в Главе VI.Исследование нелинейного поглощения излучения обертонного СО лазера ватмосфере показало, что характер динамики поглощения для различных частотахможет быть различным - увеличение или уменьшение, причем для некоторых частотизменения достигают нескольких раз. Обнаружено, что излучение указанноголазера может сильно изменить спектр поглощения воздуха, причем эти изменениясильно зависят от интенсивности и спектрального состава излучения, высоты ватмосфере, спектра поглощения вещества и его концентрации. Обнаружено такжевзаимодействие эффектов нагрева воздуха излучением накачки и насыщенияпоглощения, имеющее место на малых временах действия излучения при большихинтенсивностях.
Это взаимодействие по-разному проявляется на различныхзондирующих частотах, что заметно сказывается на соответствующих высотныхпрофилях поглощения зондирующего излучения в атмосфере (Рис. 5).22Рис. 5. Высотные профили коэффициента поглощения для тропической атмосферына частотах зондирования 3546,9 см-1 (а) и 3752,2 см-1 (б) при воздействии наатмосферные пары воды излучения обертонного СО лазера (линия 8-6 Р(21),ν=3853,9633 см-1). Интенсивность излучения I=1 МВт/см2, τи=1 мкс.
Континуальноепоглощение учтено. 1 – учет насыщения поглощения и роста температуры; 2 – учеттолько насыщения поглощения, температура воздуха в пучке постоянна исоответствует температуре на данной высоте; 3 – линейное поглощение (I = 0).Раздел 3.4 посвящен моделированию континуального поглощения водяногопара в колебательно неравновесных условиях. Континуум Н2О определяетпоглощение атмосферы в окнах прозрачности. Несмотря на большое числопубликаций(см.,например,библиографиюнаИнтернет-сайтеwww.watervaporcontinuum.com), природа континуального поглощения H2O до сихпор окончательно неясна.
Существуют две основные гипотезы, на которыхбазируются объяснения поглощения водяного пара в окнах прозрачностиатмосферы: вклад далеких крыльев сильных КВ линий мономера Н2О и поглощениеизлучения в КВ полосах димеров воды (Н2О)2. Наиболее известная и широкоиспользуемая сейчас полуэмпирическая модель CKD континуума для чистой (безаэрозоля) атмосферы была разработана Клафом, Кнейзисом и Дэвисом в 1989 г.[Л7]. Их подход позволяет единым образом описать континуальное поглощение вшироком диапазоне частот от микроволн до ближнего ИК. Этим модель CKDвыгодно отличается от других эмпирических моделей, пригодных только дляотносительно узких спектральных интервалов.
Модель CKD основана намономерной гипотезе о природе континуума и рассчитана на применение только вравновесных условиях.23Коэффициент поглощения, м-110-110-2000-000000-010000-020000-100000-001000-030000-110000-011010-010010-020010-100010-00110-310-410-510-610-710-8010002000300040005000Волновое число, см-1Рис. 6. Вклад отдельных полос H2O в равновесное континуальное поглощение.Стандартная атмосфера. P= 1 атм, Т=288 К, СH2O= 7.75⋅103 ppmV.-110-210-31x10-41x10-5Коэффициент поглощения, м-110Континуум Н2О.
Воздух, Р=1 атм243110-610-705001000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-1ν, смРис. 7. Спектр континуума водяного пара в условиях возбуждения всех H2O уровнейс одинаковой колебательной температурой TV (в этом случае возможна толькочастичная инверсия). Стандартная атмосфера. P= 1 атм, Т = 288 К. 1 - TV = Т= 288 K(равновесие); 2 - TV = 2000 K; 3 - TV = 5000 K; 4 - TV = 10000 K.На основе разделения вклада отдельных полос (см. Рис.
6) нами впервыебыла разработана модель континуального поглощения H2O, пригодная дляколебательно неравновесных условий, путем обобщение модели CKD на случайпроизвольногосоотношениязаселенностейколебательныхуровнейH2Oвпредположении R-T равновесия [23]. Учитывались уровни Н2О вплоть до (120) и(021). Был рассчитан континуум H216O при самоуширении и уширении воздухом в24спектральной области 0-5500 см-1. Обнаружены сильные его изменения из-заколебательного возбуждения (см.
Рис. 7). Показана возможность значительногонеравновесного просветления континуума вплоть до отрицательных значенийпоглощения в некоторых спектральных областях, которое объясняется эффектамикак полной, так и частичной инверсии заселенности уровней H2O. Так, например,отрицательное поглощение в районе 1200 см-1 (см. Рис. 7) возникает из-за частичнойинверсии в моде ν2. Получено также неравновесное увеличение континуальногопоглощения в других спектральных областях. Обнаружено, что спектр континуумасильно зависит (количественно и качественно) от соотношения заселенностейколебательных уровней H2O и парциального давления водяного пара в газовойсмеси. На основе разработанной модели предложен способ более гибкого описанияконтинуума Н2О с помощью полуэмпирических χ-функций для форм КВспектральных линий мономера воды.
Способ состоит в измерении спектровнеравновесного ИК поглощения водяного пара в различных КВ полосах иопределении вместо одной одинаковой для всех полос χ-функции (как в обычномметоде CKD) несколькихχ k - функций, характеризующих каждую полосу k вотдельности.Глава IV посвящена применению метода классических траекторий вмоделированииобразованиярелаксацииуширенияистолкновительныхспектральныхлинийкомплексов,молекул.вращательнойНеобходимостьиспользования этого метода обусловлена потребностями в отсутствующейинформацииопараметрахстолкновительныхпроцессов.Современныетрадиционные полуклассические теории уширения и сдвига спектральных линий(Андерсона-Цао-Карната [Л8], Робера-Бонами [Л9]) из-за серьезных упрощенийдинамики столкновений часто дают неадекватные результаты и в итоге нуждаются вподгоночных параметрах.
Подчеркнем, что корректный анализ спектроскопическихпроявлениймежмолекулярныхвзаимодействийвозможенлишьприсамосогласованном и точном описании динамики столкновений частиц. Полностьюквантовые методы, с другой стороны, требуют больших вычислительных затрат ипоэтомуихсовременноеприменениевспектроскопиимежмолекулярныхвзаимодействий ограничено простыми системами. Метод же классическихтраекторий обладая простотой, наглядностью, надежностью и универсальностью,позволяет без подгоночных параметров получать информацию для любых условий,в том числе неравновесных.25В разделе 4.1 рассмотрены общие вопросы метода классических траекторий:обоснована его применимость, описаны различные траекторные модели (точнаятрехмерная, планарная, компланарная).
В разделе 4.2 рассмотрено формированиебимолекулярных газофазных столкновительных комплексов (СК), являющихсяпромежуточными образованиями в различных химических реакциях, и из которыхобразуются стабильные кластеры (димеры и др.). Эти комплексы могут оказыватьвлияние на процессы релаксации и уширение спектральных линий.
Подробноисследовано образование столкновительных комплексов CO2-Ar и CO2-He.Проведен статистический анализ параметров образующихся СК и показано, чтокомплексы могут быть как коротко-, так и долгоживущими и характеризуютсяшироким разбросом межчастичных расстояний. Обнаружено, что доля СК средиобщего количества столкновений быстро растет с уменьшением температуры.Показано, что вращательная релаксация, идущая через столкновения с образованиемСК, оказывается гораздо более эффективной, чем через обычные неупругиестолкновения (особенно для переходов с малыми ∆J). Было обнаружено также, чтонеравновесность по скоростям сильно влияет на образование комплексов ивращательную релаксацию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
