Вклад димеров воды в континуальное поглощение водяного пара в ИК полосах поглощения

Институт оптики атмосферы СО РАН

Научный руководитель: д.ф.-м.н. И.В. Пташник. Соавторы: к.ф.-м.н. Т.Е. Климешина, А.А. Симонова, к.ф.-м.н. А.А. Солодов, к.ф.-м.н. А.М. Солодов (ИОА СО РАН), д.ф.-м.н. А.А. Вигасин (ИФА РАН), к.ф.-м.н. Е.А. Серов, д.ф.-м.н. М.Ю. Третьяков (ИПФ РАН).

В ИОА СО РАН впервые определён вклад простейших комплексов воды – димеров, в континуальную составляющую («континуум») поглощения электромагнитного излучения водяным паром, которая играет важнейшую роль в радиационном балансе Земли. Серия исследований физической природы континуума, которая более 50 лет является предметом научных дискуссий, проведена совместно с сотрудниками ИФА РАН и ИПФ РАН в 2013–2020 гг. На основе лабораторных измерений и анализа теоретических данных (рис. 1) в широком температурном диапазоне (от 269 до 431 К) показано, что от 40% до 90% континуального поглощения излучения водяным паром в полосах поглощения ИК диапазона обусловлено стабильными и мета-стабильными димерами воды (рис. 2). При этом каждая из компонент имеет свою спектральную и температурную зависимость. На основе этого построена физическая модель континуума водяного пара в полосах поглощения, которая значительно превосходит по точности и диапазону температур современную полуэмпирическую модель MTCKD. Изучение особенностей взаимодействия молекул воды друг с другом и с электромагнитным излучением представляет особый интерес для решения задач физики атмосферы, климатологии, молекулярной спектроскопии.

Рис. 2. Температурная зависимость константы димеризации, характеризующей содержание димеров в водяном паре. Три современных теоретических расчета (2012–2014 гг.) хорошо согласуются друг с другом. Интерполяция данных (красная кривая), полученных из подгонки модели димеров к экспериментальному континууму в разных полосах (значки), значительно превышает расчетные значения. На основе этого сделана оценка вклада димеров воды в континуальное поглощение (красные числа).

 

 

 

 

Публикации:

1. Odintsova T.A., Tretyakov M.Yu., Simonova A.A., Ptashnik I.V., Pirali O., Campargue A. Measurement and temperature dependence of the water vapor self-continuum between 70 and 700 cm⁻¹ // Journal of Molecular Structure. V.1210. 128046. DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.128046.
2. Perevalov V.I., Ponomarev Yu.N., Ptashnik I.V., Sinitsa L.N. High-Resolution molecular spectroscopy at the Institute of Atmospheric Optics, SB RAS: Current status of theoretical and experimental research // Ocean. Opt. 2020. V. 33. № 1. P. 10–26. DOI: 10.1134/S102485602001011X.
3. Ptashnik I.V., Klimeshina T.E., Solodov A.A., Vigasin A.A. Spectral composition of the water vapour self-continuum absorption within 2.7 and 6.25 μm bands // Quant. Spectr. Radiat. Transfer. 2019. 97-105. DOI:10.1016/j.jqsrt.2019.02.024. Q1.
4. Simonova A.A. and Ptashnik I.V. Contribution of Errors in Line Parameters to the Retrieval of the Vapor Continuum Absorption within 0.94- and 1.13-µm Bands // Ocean. Opt. 2019. V. 32. № 4. P. 375–377. DOI: 10.1134/S1024856019040146.
5. Serov E.A., Odintsova T.A., Tretyakov M.Y., Semenov V.E. On the origin of the water vapor continuum absorption within rotational and fundamental vibrational bands // Quant. Spectr. Radiat. Transfer. 2017. V. 193. P. 1–12. DOI:10.1016/j.jqsrt.2017.02.011. Q1.
6. Ptashnik I.V., Klimeshina T.E., Petrova T.M., Solodov A.A., Solodov A.M. Water vapor continuum absorption in the 2.7 and 6.25 μm bands at decreased temperatures // Ocean. Opt. 2016. V. 29. № 3. P. 211-215. DOI: 10.1134/S1024856016030131.
7. Пташник И.В. Континуальное поглощение водяного пара: краткая предыстория и современное состояние проблемы // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28. № 5. С. 443–459. DOI: 10.15372/ AOO20150508.
8. Ptashnik I.V., Shine K.P., Vigasin A.A. Water vapour self-continuum and water dimers: 1. Analysis of recent work // Quant. Spectr. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 1286–1303. DOI: 10.1016/j.jqsrt. 2011.01.012. Q1.