Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)

Нижегородские физики поняли причину избыточного поглощения энергии водяным паром

Нижегородские физики поняли причину избыточного поглощения энергии водяным паром
Впервые предложен и обоснован физический механизм, объясняющий суперлоренцево поведение крыльев молекулярных спектральных линий при больших отстройках от центра. 

Впервые предложен и обоснован физический механизм, объясняющий суперлоренцево поведение крыльев молекулярных спектральных линий при больших отстройках от центра. Предложенный механизм дополняет традиционные бимолекулярные механизмы поглощения излучения в газах и, в частности, позволяет непротиворечиво интерпретировать наблюдаемый континуум водяного пара в спектральных областях, соответствующих чисто вращательным переходам и фундаментальным колебаниям молекулы Н2О.  Авторы:  Семенов В.Е., Третьяков М.Ю., Серов Е.А., Одинцова Т.А.

 

Водяной пар сильно поглощает электромагнитные волны в диапазоне от радио до ультрафиолета. Это делает его основным парниковым газом атмосферы, а значит фактором, оказывающим значительное влияние на климат Земли.

Энергия излучения, поглощаемая молекулами воды, расходуется в основном на возбуждение колебаний в молекулярной структуре и на ее вращение. Поглощение происходит на строго определенных частотах, густо рассеянных по всему спектральному диапазону. Это резонансные линии поглощения. Они видны даже в спектре солнечного света. Еще в начале прошлого века было обнаружено, что в водяном паре кроме дискретных резонансных линий наблюдается непрерывное, плавно меняющееся с частотой поглощение, которое выглядит как подставка под линиями. Его назвали континуумом. Величина и физическая природа континуума продолжают активно дискутироваться научным сообществом. Вплоть до настоящего времени «противоборствуют» два подхода. Сторонники первого подхода относят континуум к поглощению одновременно в двух молекулах воды «слипшихся» при столкновении (в димерах воды). Последователи второго считают, что никаких димеров нет, а дело в том, что форма линий одиночных молекул (мономеров) при больших отстройках от центра резонанса не соответствует существующим моделям, и континуум возникает, как совокупный вклад дальних крыльев линий.

В пользу первого подхода свидетельствует прямое экспериментальное обнаружение димеров по их характерному спектру. Раскручивание двойных молекул воды при поглощении миллиметровых волн приводит к тому, что в спектре наблюдается эквидистантная последовательность пиков, продолжением которой является широкий пик в диапазоне длин волн около 0.5 мм, который тоже был недавно нами обнаружен.

На основе второго подхода построены эмпирические модели, которые продолжают совершенствоваться и более-менее правдоподобно описывать экспериментальные данные о континууме. Их используют во всех современных моделях распространении излучения в атмосфере. Поглощение в крыльях линий приходится при этом увеличивать до 10 раз по сравнению с классическими моделями. Авторы моделей признают, что физический механизм, объясняющий такое поведения крыльев, неизвестен.

Проблема сдвинулась с «мертвой точки», когда мы решили проанализировать спектр континуума в диапазоне наиболее интенсивной спектральной полосы водяного пара, соответствующей вращательным резонансным линиям. Этот спектр ранее не изучался, поскольку он расположен в труднодоступном для спектроскопии дальнем ИК диапазоне. Исследование удалось осуществить в лаборатории при синхротроне SOLEIL, мощное излучение которого пропускалось через водяной пар на трассе длиной более 150 метров, что и позволило зарегистрировать слабое континуальное поглощение в широком диапазоне частот. Анализ полученного спектра, показал, что ни один из подходов сам по себе не позволяет объяснить наблюдаемый континуум. Крылья линий мономеров не складываются в нужную форму спектра, а максимально возможного количества димеров, которые могли образоваться в условиях нашего эксперимента, не хватает, чтобы объяснить его амплитуду. Это подтолкнуло нас к необходимости «примирения противоборствующих сторон» - к разработке нового подхода, в котором и димеры, и дальние крылья линий мономеров вносят свои вклады. Нашелся и физический механизм, позволяющий обосновать "завышенное" поглощение в области дальних крыльев линий. Он связан с вращением молекул. Если считать, что вращение при столкновении обрывается мгновенно, как было бы для молекул-шариков идеального газа, то дальнее крыло линии спадает квадратично с ростом частоты отстройки. Очевидно, что при столкновении реальных молекул, имеющих определенную структуру, окруженную электрическим полем, вращение будет тормозиться плавно (монотонно), в течение некоторого конечного времени. Это приведет к более быстрому (экспоненциальному)  спаданию дальнего крыла линии. Но если за время торможения молекула успевает сделать несколько оборотов, то торможение получается уже немонотонным. Это приводит к возникновению небольшого пика в крыле линии на отстройке от центра, равной характерной частоте этой немонотонности. Ширина пика обратно пропорциональна времени торможения. Соответствующего подъема крыла линии оказывается достаточным для объяснения избыточного поглощения.

Полученный результат свидетельствует о необходимости переработки существующих моделей распространения излучения в атмосфере, что позволит продвигаться к правильному пониманию и предсказанию происходящих климатических изменений.

Название изображения

 

М.Ю. Третьяков, зав. отделом микроволновой спектроскопии ИПФ РАН (,http://www.mwl.sci-nnov.ru/tretyakov.html);

Т. А. Одинцова, мл. научный сотрудник отдела (http://www.mwl.sci-nnov.ru/odintsova.html )

ипф ран нижегородские физики распространение излучения в атмосфере

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий