Автореферат (1145361), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Объем, структура и краткое содержание диссертации.Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы. Объемдиссертации составляет 203 стр., включая 82 рис., 13 табл., библиографию из 170наименований.Во Введении дано краткое вступление в тему диссертации, сформулированы основныеположения, определяющие ее научную актуальность и практическую значимость,определены цели работы. Приводятся положения, выносимые на защиту, сведения обапробации результатов исследования и список основных публикаций автора.Первая глава представляет собой обзор ключевых работ в экспериментальных итеоретических исследованиях по теме диссертации. О спектрах поглощения в областиосновных колебательных частот кислорода (1556 см-1) и азота (2331 см-1) впервыесообщается в статье Кроуфорда и др.
[17] в 1949 г. Позднее, в 1961 г. [18] было измереноиндуцированное поглощение О2 и N2 в области чисто вращательных переходов (30...90 см-1).С тех пор, в связи с прогрессом в технике спектроскопии многие исследовательские группыв мире снова возвращались к этой проблеме, проводя новые измерения и сообщая все болееточную и детальную информацию о форме (контуре) индуцированных спектров и ихтемпературной зависимости. Здесь следует упомянуть исследования Лонга и др. [19, 20], вкоторых были впервые обнаружены слабые следы структуры в виде волновой модуляциипрофиля в области «плеч» СИПП азота и кислорода (см.
Рис. 1). Интерпретация этихструктур до настоящего времени остается противоречивой.Спектр поглощения углекислого газа в области Ферми-диады (ν1, 2ν2) (1340 см-1) [21]представляет собой суперпозицию нескольких столкновительно индуцированных иразрешенных полос СО2. Кроме того в этом спектре отчетливо наблюдаются две полосы,принадлежащие стабильному димеру (СО2)2. До начала работ в рамках данной диссертациивыделение «чистых» профилей индуцированного и «димерного» спектра путем исключениявкладов разрешенных полос углекислого газа и примесей не проводилось.
Опубликованныев литературе (см., например [21, 22]) оценки интегральных интенсивностейиндуцированного поглощения были основаны на численном выделении компоненты сквадратичной зависимостью от плотности газа.В этой главе (раздел 1.2) приводится также краткий обзор экспериментальных итеоретических исследований контуров линий в разрешенных полосах молекулярных газов.Как отмечено выше, эти исследования имеют прямое отношение к теме диссертации.9Хорошо известно, что при давлениях газа близких к атмосферному форма линий вблизи ихцентров хорошо описывается контуром Лоренца.
Так же хорошо известно, что на периферииотклонение реальных профилей от контура Лоренца становится радикальным, что, пожалуй,наиболее ярко было продемонстрировано в работах Винтерса и др. [23], и Берча и др. [24].Авторы исследовали поглощение ИК-радиации в высокочастотных крыльях полос ν3 и 3ν3СО2 за «кантами» (границами распределения вращательной структуры) R-ветвей при ν ≥2397 см-1 и ν ≥ 6990 см-1, соответственно. Это поглощение традиционно и, в общем, логичнорассматривалось как совокупный вклад «далеких крыльев» линий и оказалось по даннымизмерений значительно, на сотни процентов ниже результатов расчета с контуром Лоренца.На этом основании были сделаны выводы о «суб-лоренцовском» характере «далекихкрыльев» линий в спектрах углекислого газа.
Аналогичные результаты были полученыпозже (в том числе и автором) при исследовании контуров полос окиси углерода и закисиазота (см. обзор М. О. Буланина и др. [11]). Наблюдаемые факты объяснялись теоретическинеобходимостью учета при моделировании контуров линий и полос «конечной длительностисоударений» и (или) эффектов «интерференции линий (line mixing)» [9, 11].Впервые предположение о существовании континуума водяного пара в термальномокне прозрачности атмосферы 8 – 12 μm было сделано в 1938 г.
в работе Эльзассера [25] наоснове сопоставления радиационных потоков в атмосфере с численными модельнымиоценками поглощения в полосах Н2О. Многолетняя история изучения континуумадостаточно подробно отражена в недавно вышедшем обзоре Шайна и др. [26].Основу в экспериментальных исследованиях континуума водяного пара составляютлабораторные измерения при строго контролируемых условиях. Из-за относительнойслабости континуального поглощения измерения проводятся с помощью многоходовыхкювет, сконструированных по классической схеме Уайта [27] или ее разновидностям. Вклассическом варианте многоходовая кювета оптически согласуется со спектрометром [28].В случае использования различных типов лазерных источников излучения (СО 2-, СО-, HF-,DF-лазеры или диодные лазеры) спектрометр играет вспомогательную роль при контроледлины волны излучателя или не требуется вообще. Альтернативный, не связанный сиспользованием многоходовых кювет, способ исследований слабого поглощения в газахоснован на применении высокочувствительных устройств – спектрофонов (см., например,[29]).
Как правило, использованные в исследованиях континуума многоходовые кюветы испектрофоны являлись результатом оригинальных конструкторских разработок участниковнаучных коллективов. Сравнительно недавно в измерениях континуума водяного пара былприменен высокочувствительный метод CRDS (Cavity Ring-Down Spectroscopy) [30].Одним из наиболее значимых ранних экспериментальных исследований континуумаявляется вышедшая в 1970 г.
работа Бигнела [31]. Коэффициенты поглощения былиизмерены с использованием диффракционного спектрометра с разрешением лучше 2 см-1 имногоходовой кюветы, создающей слой около 500 м при базовой длине 15.5 м. Авторприводит коэффициенты поглощения Сh2o-h2o и Сh2o-n2 в области 4 μm и 9 – 21 μm всравнении с данными из других источников. По результатам измерений при температурах от21 до 45 С был впервые сделан вывод о сильной отрицательной температурнойзависимости величины Сh2o-h2o.В начале 70-х годов интенсивность изучения континуального поглощения ИКрадиации водяным паром в термальном окне прозрачности атмосферы 10 μm значительновозрастает.
Причиной этого становится, в частности, создание СО2-лазеров с перспективойих использования в прикладных атмосферных исследованиях и в разработках военногоназначения. Спектр генерации СО2-лазера расположен в области 10 μm и континуумводяного пара является важным фактором, определяющим ослабление излучения этоголазера атмосферным воздухом. Особое место в экспериментальном изучении континуумаводяного пара занимают в эти годы работы Берча и его коллег.
Используя две 1 м и 29 ммногоходовые кюветы, сопряженные с диффракционным и призменным спектрометрами10[28], этот научный коллектив провел измерения континуума в широких спектральныхинтервалах и при различных температурах (см., например, [32, 33]). Полученные результатыбыли положены в основу разработки модели CKD [16], как наиболее надежные изсуществовавших в то время. Само появление модели, широко востребованной в прикладныхзадачах, стало знаковым событием в истории исследования континуума [26]. Значительныйвклад представляют также работы, выполненные под руководством проф. В.
Н. Арефьева в1975 – 1985 гг. с использованием уникальной многоходовой кюветы с базовой длиной 50 м[34, 35]. Это устройство, создающее поглощающий слой протяженностью до 3 км, всочетании с перестраиваемым СО2-лазером, позволило провести обширный цикл измерений,признанных в международном спектроскопическом сообществе и положенных в основуальтернативной полуэмпирической модели континуума водяного пара. Следует отметитьтакже важные результаты лабораторных измерений континуума в окне прозрачности 4 μмУоткинсом и др.
[36]. Авторы использовали в опытах многоходовую кювету с базой 21 м иэффективным поглощающим слоем 1521 м и перестраиваемый DF-лазер с переходами вобласти 2471 – 2863 см-1, как источник излучения. Опубликованные результаты заметноотличались от данных Берча и коллег [32, 33], однако этот факт долгое время оставался безвнимания.В теоретическом исследовании профилей полос в молекулярных спектрах [9] обычноиспользуется базовое соотношение:2N 0 (4)K 1 exp exp itF t dt ,c k связывающее спектральную зависимость коэффициента поглощения K с зависящей отвремени автокорреляционной функцией дипольного момента F t 0, t . В формуле(4) 2c – угловая частота, ν - волновое число, N0 – число Лошмидта, t - оператордипольного момента в представлении Гейзенберга, а угловые скобки означают усреднениепо статистическому ансамблю молекул.
Анализ свойств функции F(t) на основесуществующих модельных представлений о динамике и механизмах межмолекулярныхвзаимодействий лежит в основе большинства частных теоретических решений по проблемеконтуров разрешенных полос в молекулярных спектрах.Однако теоретическое моделирование столкновительно-индуцированных полоспроводится обычно с использованием классического электростатического индукционногомеханизма [37], когда рассматриваются электрические моменты, наведенные напоглощающей молекуле полем молекулы-партнера. Эти индуцированные моменты являетсясложной функцией тензоров поляризуемости и мультипольных моментов обеих молекул.Использование механизмов мультипольной индукции дает удовлетворительный результатпри моделировании спектров водорода, азота, кислорода и смеси N2+O2 в среднем и далекоминфракрасных диапазонах [4, 38].
Однако они, не является исчерпывающим. В рамках этихмеханизмов не удается объяснить наличие волнообразной модуляции профилей основныхиндуцированных полос поглощения азота и кислорода в области их «плеч» (см. Рис. 1).Во второй главе диссертации приведено описание трех экспериментальных установок,использованных в работе в разные периоды времени. Все они построены по классическойсхеме, показанной на Рис.
3. Пучок излучения, выходящий из интерферометра(монохроматора) (1) через окно (о) направляется на объективное зеркало (С) многоходовойкюветы с помощью плоского (пз) и сферического (сз) зеркал. Выходящий из кюветы пучокизлучения направляется симметричной оптической схемой в блок приемника излучения (4) ифокусируется внеосевым эллиптическим зеркалом (эз) на чувствительный элемент детектора(д). Зеркала оптической схемы устанавливаются внутри герметичного корпуса кюветы.
Какправило, это металлический цилиндр, закрытый с торцов фланцами. Для проведения11исследований при различных температурах корпус оснащается «рубашкой» (внешнийцилиндр) или «змеевиком», через которые прокачивается хладагент или разогревающаяжидкость.эзд4АB2пзсз3 Многоходовая кювета Уайтао1CИнтерферометр(монохроматор)Рис. 3. Типичная схема экспериментальной установки, состоящей из спектрометра имногоходовой кюветы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
