Диссертация (1145362), страница 5
Текст из файла (страница 5)
[64]. Этот обзорсо списком литературы из более чем 100 наименований достаточно подробноотражает основные этапы и достижения в почти столетней истории изученияконтинуума. Однако полное число публикаций по этой проблеме можетсоставить по оценкам автора около 500 или даже более. Многие из нихявляются в настоящее время труднодоступными. В данном параграфе, вотличие от обзора [64], акцент сделан скорее на экспериментальнотехнических аспектах исследований в их развитии и совершенствовании запрошедшие десятилетия.Впервые предположение о значительной роли континуума водяногопара в ослаблении излучения в термальном окне прозрачности атмосферы8 – 12 μm было сделано в работах Эльзассера [65, 66] на основесопоставлениярадиационныхпотоковватмосфересчисленнымимодельными оценками поглощения в полосах Н2О.
С тех пор на протяженииболеешестидесятимногочисленныхлетконтинуумэкспериментальныхводяногоипарабылтеоретическихобъектомисследований.Использованные в измерениях технические средства претерпели запрошедшиегодырадикальныеизменения,отразившиепереходотаналоговых методов регистрации сигналов и спектров к цифровым,включающим компьютеризованные алгоритмы обработки результатов. Неставя практически недостижимой цели дать полный обзор опубликованныхработ, отметим лишь наиболее значимые из них для различных методов,средств и временных интервалов исследования.Методы и технические средства исследования континуума водяногопара могут быть разделены на две основные категории.271. Это, во-первых, измерения ослабления ИК-излучения атмосферой вполевых (натурных) условиях на протяженных трассах (наклонных илигоризонтальных) с использованием различных типов источников излучения,спектральных приборов и детекторов (см., например, [67–72]). Однакорезультаты таких исследований зачастую не могут получить однозначную инадежную интерпретацию, поскольку для этого требуется знание состававоздуха, его давления и температуры вдоль трассы распространения луча.Заметное воздействие на результат может оказать наличие аэрозоля.Качество измерений может также зависеть от погодных условий вообще и оттурбулентности воздуха в частности.
Эти же факторы даже в большейстепениявляютсяполученныхссущественнымииспользованиемприинтерпретациитехническихсредстврезультатоввоздушногоикосмического базирования [73–75]. Отметим, что в значительной частиупомянутых выше работ основной задачей являлось не непосредственноеизмерениеконтинуальногопоглощения,атестированиеразличныхкомпьютерных алгоритмов (LOWTRAN, MODTRAN, FASCODE, LBLRTM ит.п.), разработанных для расчета ослабления радиационных потоков ватмосфере [22]. Само собой разумеется, что все эти алгоритмы включали ивключают те или иные модели континуума водяного пара.2.
Ко второй категории относятся безусловно более надежныелабораторные методы исследования континуального поглощения ИКизлученияводянымпоглощающейсреды,паромпритемпература,строгоконтролируемыхдавление)условиях.(составКакужеупоминалось, относительная слабость континуального поглощения требуетсоздания протяженных трасс, что в лабораторных условиях делается спомощьюмногоходовыхоптическихкювет,сконструированныхпоклассической схеме Уайта [76] или ее разновидностям (схема Чернина –Барской [77], например).При комнатной температуре, когда парциальное давление водяного паране может быть выше ~20 торр, для надежного измерения континуума28требуется толщина поглощающего слоя от 700 до 1500 м [78-80].
Такиетрассы создаются многоходовыми кюветами с базовой длиной 15 или болееметров. При повышенных температурах, допускающих создание образцов сболее высокой плотностью водяного пара, необходимая для измеренийтрасса может быть несколько десятков метров [80, 81], посколькукоэффициентконтинуальногопоглощенияпропорционаленквадратуплотности газа.В классической схеме измерений многоходовая кювета оптическисогласуется со спектрометром [78].
В случае использования различных типовлазерных источников излучения (СО2-, СО-, HF-, DF- лазеры, диодныелазеры) спектрометр играет вспомогательную роль при контроле длиныволны излучателя [82, 83] или не используется вообще [84].Альтернативный, не связанный с использованием многоходовых кювет,способ исследований слабого поглощения в газах основан на применениивысокочувствительных устройств – спектрофонов [85-88]. Спектрофонпредставляет собой однопроходную газовую кювету с размещенным внутриакустическим микрофоном. Кювета заполняется газом (водяным паром) ичерез нее пропускается лазерный луч, промодулированный с частотой взвуковом диапазоне. Поглощение излучения газом приводит к пульсациямдавления, которые регистрируются микрофоном.
Амплитуда сигналапропорциональна плотности газа и его коэффициенту поглощения.Следует отметить, что использованные в исследованиях континуумаводяного пара многоходовые кюветы и спектрофоны являлись результатоморигинальных конструкторских и технических разработок участниковколлективов научных лабораторий. Они заметно отличались по техническимхарактеристикам, что, естественно, отражалось на качестве полученныхрезультатов. В этой связи отметим интересную конструкцию спектрофона изработы Тихомирова и др. [88], использующую принцип акустическойфокусировки звуковой волны на микрофон.29Сравнительно недавно в измерениях континуального поглощенияводяным паром был применен высокочувствительный метод CRDS (CavityRing-DownSpectroscopy)Опубликованныестатьи[89-90].содержатподробное описание метода и техники измерений.Лабораторные экспериментальные исследования континуумаводяного пара.Наиболее значимым из самых ранних экспериментальных исследованийконтинуума является, по мнению автора, вышедшая в 1970 г.
работа Бигнела[91]. Коэффициенты континуального поглощения были измерены сиспользованием дифракционного спектрометра с разрешением лучше 2 см-1и многоходовой кюветы, создающей слой около 500 м при базовой длине15.5 м. Автор приводит данные для коэффициентов поглощения C H O + H O и22C H 2O + N 2 в области 4 μm и 9 – 21 μm в сравнении с результатами из другихисточников. По результатам измерений при температурах от 21 до 45оС былсделан вывод о сильной отрицательной температурной зависимостивеличины C H O + H O .22В начале 70-х годов интенсивность исследований континуального илинейчатого (селективного) поглощения ИК-радиации водяным паромзначительно возрастает. Причиной этого становится технический прогресс вприборостроении в целом и создание СО2-лазеров с перспективой ихиспользования в прикладных атмосферных исследованиях и в разработкахвоенного назначения в частности.
Спектр генерации СО2-лазера попадает вокно прозрачности атмосферы 10 μm, и континуум водяного пара являетсяважным фактором, определяющим ослабление излучения этого лазераатмосферным воздухом. Измерения активно проводятся с использованиемперестраиваемых СО2-лазеров, многоходовых кювет и спектрофонов как влабораторных [82,86,87,92-94], так и в полевых условиях [70,72].Особое место в исследовании континуума водяного пара и слабогопоглощения ИК-радиации другими атмосферными газами (см. выше30параграфы 1.1 и 1.2) занимают в это время работы, выполненные Д.
Берчем иего коллегами. Используя две многоходовые кюветы (базовая длина 1 и 29м), сопряженные с призменным и дифракционным спектрометрами [78], этотавторскийколлективосуществилважныепионерскиеисследованияконтинуума Н2О в широком спектральном интервале от 333 до 4200 см-1 приразличных температурах от комнатной до 430 К [95-102].Знаковымсобытиемполуэмпирическоймоделивконце70-хконтинуумагодовCKD[7,стало22]создание(см.такжеhttp://www.rtweb.aer.com), названной так по первым буквам фамилий ееразработчиков (Clough S.A., Kneizys F.X., Davies R.W.). Ее основу составляеттеоретическаямодель«параметризованная» 1экспериментальнымдалекогоподаннымкрыланаиболееолинийнадежнымконтинуальномводяногонапара,топоглощениивремявокнепрозрачности 10 μm (преимущественно данным Берча).
На основе этоймодели далекого крыла, принятого одинаковым для всех линий, былвосстановленпрофильконтинуумавспектральномдиапазонеотмикроволнового до видимого. Модель постоянно совершенствовалась сучетом новых экспериментальных данных и с 2002 г. именуется какMT_CKD, в связи с появлением новых участников рабочей группы - MlawerE. J. и Tobin D. C. В настоящее время именно эта модель наиболее широкоиспользуется в прикладных задачах.В дополнение к упомянутым работам, следует отметить результатылабораторных исследований континуума водяного пара, полученные подруководством проф.
В. Н. Арефьева в 1975 – 1985 гг. с использованиемуникальной многоходовой кюветы с базовой длиной 50 м [79]. Этоустройство, создающее поглощающий слой протяженностью до 3 км, всочетании с перестраиваемыми лазерами на углекислом газе (включая егонекоторые изотопомеры) позволило провести обширный цикл измерений,признанных1вмеждународномспектроскопическомДетали разработки модели континуума в открытой печати не публиковались.сообществеи31положенных в основу альтернативной эмпирической модели континуумаводяного пара [103-106]. Промежуточные итоги исследований континуумаН2О в области 10 μм были подведены в вышедшей в 1990 г.
обзорной статьеГранта [107], включившей сравнительный анализ результатов измерений вразличных лабораториях и обширный список литературы.Необходимо также особо выделить результаты экспериментальногоисследования континуума водяного пара в окне прозрачности 4 μм,полученные Уоткинсом и др. [108 - 110].
Авторы использовали в измеренияхмногоходовую кювету с эффективным поглощающим слоем 1521 м прибазовой длине 21 м и перестраиваемые HF/DF-лазеры с переходами вобласти 3418 - 3788 см-1 и 2471 – 2863 см-1 в качестве источников излучения.Представленные результаты заметно отличались от данных Берча [100, 101],однако этот факт долгое время не принимался во внимание.Теоретическая интерпретация континуума водяного пара напротяжении всей истории его изучения базировалась в основном на двухгипотезах.
Первая из них – предположение о том, что континуум являетсясовокупным вкладом «далеких крыльев» линий, – логично вытекает изобщеговидаспектра,показанногонаРис.3воВведении.Этопредположение было впервые выдвинуто Эльзассером [65, 66] в началесороковых годов прошлого столетия. Существует несколько теоретическихприближений для контура линий водяного пара, которые использовались примоделировании спектральной и температурной зависимостей континуума.Это в первую очередь приближение, разработанное Клауфом и др. [7, 13] припостроении модели CKD.
Позже Ма и Типпинг в ряде статей (см., например,[14, 111, 112]) представили свои результаты построения контура линийводяного пара и его применения для интерпретации экспериментальныхданных.Третьетеоретическоеприближениедляконтуровлинийразрабатывалось авторами публикаций [10, 11] как для интерпретациинаблюдаемого поглощения в разрешенных спектрах молекул (см. раздел 1.2)[60-62], так и для моделирования в «асимптотическом» приближении32континуумаводяногопараприинтерпретацииеготемпературнойзависимости [113, 114]. Не вдаваясь в детали отметим, что использованиеметодов «параметризации» теоретических моделей при сопоставлении сэкспериментальными данными значительно подрывает доверие к ихпредсказательной способности.Основанием для выдвижения второй гипотезы об определяющей ролидимеровводяногопаравформированииконтинуумапослужилэкспериментально установленный факт его сильной, приблизительноэкспоненциальной температурной зависимости [87, 90, 91, 98, 104, 115] вспектральном интервале около 944 см-1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
