Диссертация (1145362), страница 20
Текст из файла (страница 20)
2.5310.9325.5351.61E-2419002100NIST310.9325.5351.6230025002700-12900310033003500Wavenumber, cmРис. 5.13. Бинарные коэффициенты континуального поглощения в окнепрозрачности 4 μm при трех температурах в сопоставлении с модельюMT_CKD и литературными данными.137Результаты настоящей работы представлены на рисунке двояко.Мелкие точки, сливающиеся в жирную линию, показывают спектральныйход континуума.
Ограниченное число светлых кружков 1 показывает оценкустатистическойпогрешностиэкспериментальныхданных.Рисунокотчетливо демонстрирует наличие спектральной структуры в областиволновых чисел от 2900 до 3300 см-1. «Плечо» в спектральном ходеконтинуума около 3100 см-1 хорошо повторяет спектральный ход моделиMT_CKD и, вероятнее всего, отображает столкновительно-индуцированнуюкомпоненту обертона 2ν2 Н2О. Максимум около 3200 см-1, не отраженныймоделью континуума, но зарегистрированный ранее в работах [102, 156],может быть проявлением полосы поглощения димера водяного пара при3215 см-1, частота которой была рассчитана в работе [157]. В целом, можнозаключить, что модель континуума, несмотря на ее недавнее обновление, недает удовлетворительного согласия с имеющимися экспериментальнымиданными. Значительные расхождения при волновых числах более 2000 см-1наблюдаются в величинах бинарных коэффициентов поглощения, а также вхарактере их спектральной и температурной зависимости.Представленные на рисунке результаты измерений континуума прикомнатной температуре из работы Уоткинса [109] имеют, вероятно, высокуюстатистическую погрешность, что видно из разброса точек, но, в целом,согласуются с результатами настоящей работы при 311 К.
Это же можносказать о данных [71, 158], которые были получены при комнатнойтемпературе и ожидаемо превосходят результаты настоящего исследованияпри температуре 311 К. Факт значительного, почти в четыре раза,расхождения между результатами данной работы при температуре 326 К икоэффициентами континуального поглощения, измеренными Берчем иАльтом [101] при близкой температуре 328 К остается необъяснимым.Авторы этой работы приводят также результаты измерений континуума прикомнатной температуре 296 К (на Рис. 5.13 не показаны во избежание его1На рисунке показано удвоенное стандартное отклонение 2σ в соответствии с Табл.
5.4.138загромождения), которые оказываются приблизительно в три раза меньшерезультатов настоящей работы при 311 К вместо ожидаемого превышения.Отметим также, что результаты недавних, опубликованных в 2011 и в 2013гг., лабораторных измерений континуума водяного пара И. В. Пташником идр. [159, 160] (будут представлены на следующих рисунках данной главы)хорошо согласуются с результатами данной работы.5.8. Континуум водяного пара в области окна прозрачности 4 μm.Анализ температурной зависимости.Температурные вариации континуума водяного пара в центре окнапрозрачности около 2460 см-1 представлены на Рис.
5.14 вместе с данными издругих источников.Cs, cm-1/(atm*molec/cm3)-11.E-21Ptashnik et al.,[159], 2011,[160], 20131.E-22Bignell, [91], 1970Burch et al., [161], 1971Burch & Alt, [101], 1984Watkins et al., [109], 1979Barton (estimate fromNIMBUS-5 results, [74],1981Baranov et al., [137], 2011Theory, Q. Ma, [162], 20081.E-231.E-24MT_CKD 2.5 (jan. 2010)1.E-25285MT_CKD 2.4 (june 2009)305325345365385405425Temperature, KРис. 5.14. Температурная зависимость континуума в центре окнапрозрачности около 2460 см-1. Сплошные линии представляют две версиимодели MT_CKD.139Черные треугольники показывают результаты ранних измерений Берчаи др.
[161], тогда как пустой треугольник дает результат экстраполяцииавторами коэффициента поглощения к комнатной температуре. Однакоболее поздние измерения Берча и Альта [101], представленные на рисункетреугольниками серого цвета, указывают на усиление тенденции ростаконтинуума при понижении температуры, что лучше согласуется срезультатами настоящей работы. Из рисунка видно, что обновление версиимодели континуума не коснулось характера ее температурной зависимости,которая осталась экспоненциальной, несмотря на очевидное расхождение сэкспериментальными данными. Теоретические расчеты в рамках моделидалеких крыльев линий Ма и Типпинга [162] дают еще более слабуютемпературную зависимость континуума.
При температурах выше 350 Кэкспериментальные результаты настоящей работы хорошо согласуются сданными Берча и др. [161] и Пташника и др. [159]. При переходе ктемпературам около комнатной следует отметить значительный рост, доодного порядка величины, расхождения между данными Берча и его коллег[101, 161] и представленными на рисунке результатами других авторов. Какужеотмечалось,причинатакогорасхожденияостаетсянеясной.Коэффициенты бинарного поглощения из работы Уоткинса и др. [109],показаны на рисунке тремя квадратами.
Черный, без указания погрешности –это результат непосредственного измерения коэффициента поглощения напереходе P3←2(11) 2471.243 cm-1 перестраиваемого лазера на фторидедейтерия. Однако более реалистичной может быть величина, полученнаяусреднением восьми результатов измерений в диапазоне 2470 – 2600 см-1 (нарисунке это светлый квадрат с «лапками» погрешности). В этом диапазонеконтинуум слабо меняется с частотой, и усреднение нескольких величинявляется корректной операцией, позволяющей оценить статистическуюошибку данных.
С другой стороны, авторы [109] приводят результатизмерений континуума в более высокочастотном диапазоне 2600 – 2800 см-1.Хотя этот диапазон содержит значительное число интенсивных линий140образующих полосу ν1 HDO, несколько переходов лазера на DF попадают вмикроокна этой полосы, и результаты измерений должны быть свободны отзаметного влияния локальных линий. Пять таких переходов в интервале 2631– 2743 см-1 были выбраны из Табл.
1 упомянутой работы, а усредненный поэтим измерениям бинарный коэффициент поглощения представлен на Рис.5.14 квадратом серого цвета с «лапками» погрешности. Таким образом,экстраполяция результатов настоящей работы к комнатной температурепопадает в зону разброса данных других авторов, но превышает результатБерча и Альта [101] в 6...7 раз.5.9. Обобщение.Рис. 5.15 обобщает результаты настоящего исследования в двухспектральных диапазонах 10 и 4 μm.Cs, cm-1(atm*molec/cm3)-11.E-20Watkins et al., [109], 298 K, 1979Burch & Alt, [101], 296 K, 1984Burch & Alt, [101], 328 K, 1984Ptashnik et al., [159], 293, 350 K,2011.1.E-21MT_CKD&experiment310.8 K325.8 K351.9 K(from the top tothe bottom)1.E-221.E-231.E-2470012001700220027003200-1Wavenumber, cmРис.
5.15. Континуум водяного пара в диапазоне 700 – 3500 см-1.Из сравнения этого рисунка с Рис. 5.8 следует, что обновленная версияконтинуума водяного пара MT_CKD_2.5 (2010) значительно лучшесогласуется с результатами настоящей работы в диапазоне волновых чисел1411100 – 1250 см-1. Тем не менее, значительные отклонения существуют применьших волновых числах для высоких температур. Характер и величинарасхождения между экспериментальными данными и моделью в окне 4 μmуказывают на необходимость ее дальнейшего совершенствования.Несмотряна сравнительно высокий уровень погрешности в данных Пташника и др.[159] при комнатной температуре, факт их совпадения (согласия) с даннымиУоткинса и др. [109] является веским основанием для вывода о наличиизначительной и необъяснимой систематической ошибки в результатахизмерений континуума в окне 4 μm Берчем и Альтом [101].
Это кажется темболее странным, что результаты измерений Берчем и соавторами континуумав окне 10 μm, и, как будет показано ниже, их результаты для смешанногоконтинуума в обоих окнах прозрачности удовлетворительно согласуются сданными настоящей работы.142Глава 6. Экспериментальное исследование континуальногопоглощения ИК-радиации водяным паром в смеси с азотом в окнахпрозрачности атмосферы 10 и 4 μm при различных температурах.6.1.
Хронология эксперимента и некоторые дополнительныедетали.Континуальное поглощение ИК-радиации смесью водяного пара сазотом в окне прозрачности 10 μm также было предметом многочисленныхлабораторных, натурных и теоретических исследований на протяжениинескольких последних десятилетий.
Успешный ход измерений поглощения вчистом водяном паре в 2004 г. поставил закономерный вопрос о проверкевозможности измерения смешанного континуума Н2О + N2 на лабораторнойустановке в НИСТ. Выполненные несколько серий пробных измерений притемпературе 326 К показали, что при давлении водяного пара около 80 торр,добавлениевкювету42атмприблизительнона%.континуальногопоглощенияазотаснижаетВеличинаоказываетсяпропусканиекоэффициентаприэтомобразцасмешанногодостаточноправдоподобной, но определяется с высокой статистической относительнойпогрешностью около 50 %. Эта ошибка была расценена как слишкомзначительная, и исследование смешанного континуума в области 10 μm,равно как и публикация уже полученных данных, были приостановлены.Однако позже в 2009 г. интерес к этим данным возник с новой силой послетого, как было экспериментально обнаружено гигантское, в два порядкавеличины, различие между величинами смешанного континуума и модельюMT_CKD в области 4 μm [155].
Дополнительные измерения, проведенные вэто время в окне 10 μm при температуре 339 К, не позволили выявитьналичие значимых температурных вариаций смешанного континуума,подобно тому, как это наблюдается в окне прозрачности 4 μm [163].143Окончательные результаты исследований континуума Н2О + N2 в обоихокнах 4 и 10 μm представлены в недавно вышедшей статье [9].6.2. Окно 10 μm. Условия измерений и бинарные коэффициентыпоглощения.Для оценки величины смешанного (Н2О + N2) континуальногопоглощения в области 10 μm было выполнено 16 серий измерений притемпературе 326 К.
Давления водяного пара варьировали в пределах от 72 до89 торр, давление азота было близко к 4 атм, толщина поглощающего слоясоставляла 100 м. Установки спектрометра оставались такими же, какизложено в разделе 5.2. В качестве «базовой линии» брался спектр кюветы,заполненной азотом до такого же давления, как и парциальное давлениеазота в образце смеси.
Смесь приготавливалась непосредственно в кювете.После напуска водяного пара и ожидания относительной стабилизациидавления в кювету медленно подавался подогретый азот. Время заполнениясоставляло около 50 мин. После достижения требуемого давления и паузы 10– 15 мин. записывался спектр образца. Бинарный коэффициент смешанногопоглощения C sfi (ν ) определялся из i – того спектра (i = 1…16) по формуле:()C sfi (ν ) = − ln (Ti (ν ))L−1 − C s (ν )wH 2O p H 2O wH−12O PN−21 ,(6.1)где Ti (ν ) - спектр пропускания после вычета вклада локальных линий, L –длина оптической трассы, wH O и p H O - парциальное давление и плотность22водяного пара, PN - парциальное давление азота в смеси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
