Лабораторное исследование континуального поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне длин волн
Диссертация
Основной цслыо данной работы является получение новых прецизионных экспериментальных данных, характеризующих континуальное поглощение в ММ диапазоне длин волн. В частности, была поставлена задача исследования спектра поглощения водяного пара при низком давлении с целью выявления в нем спектральных особенностей (пиков) димеров воды. Поскольку по оценкам эти особенности должны быть достаточно… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Резонаторный спектрометр как инструмент для прецизионного измерения спектра поглощения газов в ММ и СубММ диапазонах
- 1. 1. Резонаторный спектрометр на базе ЛОВ: устройство и принцип работы
- 1. 2. Тонкие диэлектрические пленки как элемент связи резонатора
- Фабри — Перо с квазиоптическим трактом
- 1. 3. Характеристики отражающих свойств зеркал резонатора при различных условиях
- 1. 4. Расширение рабочего диапазона частот резонаторного спектрометра в СубММ часть спектра
- Глава 2. Экспериментальное исследование континуального поглощения в смеси водяного пара с азотом в диапазоне температур 261 — 328 К
- 2. 1. Анализ современного состояния исследуемой проблемы
- 2. 2. Методика исследования
- 2. 3. Обработка первичных данных и анализ результатов
- Глава 3. Физическая природа континуума
- 3. 1. Современные представления о физической природе континуума и роли молекулярных комплексов в его формировании
- 3. 2. Оценка количества малых кластеров в водяном паре в равновесном состоянии на основе анализа эмпирических данных о его термодинамических параметрах
- 3. 3. Экспериментальное исследование спектра поглощения водяного пара при низком давлении в ММ диапазоне длин волн как способ прямого определения вклада димеров воды в формирование континуума
Список литературы
- Trenberth К.Е., Fasullo J.T., Kiehl J. Earth’s Global Energy Budget // Bull. Am. Met. Soc. 2009, 90,311 -324
- Kiehl J.T., Trenberth K.E. Earth’s annual global mean energy budget // Bull. Am. Met. Soc. 1997, 78,197−208
- Ptashnik I.V., Shine K.P., Vigasin A.A. Water vapour self-continuum and water dimers: 1. Analysis of recent work // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011,112, 1286 1303
- Ma Q., Tipping R.H., Leforestier C. Temperature dependences of mechanisms responsible for the water-vapor continuum absorption. I. Far wings of allowed lines // J. Chem. Phys. 2008,128, 124 313
- Shine K.P., Ptashnik I.V., Radel G. The Water Vapour Continuum: Brief History and Recent Developments // Surv. Geophys. 2012,33, 535 555
- Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Leforestier C. Possibilities of the observation of the discrete spectrum of the water dimer at equilibrium in millimeter-wave band // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009,110,427 434
- Tretyakov M.Yu., Serov E.A., Koshelev M.A., Parshin V.V., and Krupnov A.F. Water Dimer Rotationally Resolved Millimeter-Wave Spectrum Observation at Room Temperature // Phys. Rev. Lett. 2013,110, 93 001
- Saykally R.J. Viewpoint: Simplest Water Cluster Leaves Behind its Spectral Fingerprint // Physics 2013, 6,22, http://physics.aps.org/articles/v6/22
- Паршин B.B., Третьяков М. Ю., Кошелев M.A., Серов Е. А. Аппаратурный комплекс и результаты прецизионных исследований распространения ММ и СубММ волн в конденсированных средах и атмосфере//Изв. Вузов, «Радиофизика». 2009, 52, 583−594
- Власов С.Н., Паршин В. В., Серов Е. А. Методы исследования тонких диэлектрических пленок в миллиметровом диапазоне // ЖТФ. 2010, 80, 73 79
- Koshelev М.А., Serov Е.А., Parshin V.V., Tretyakov M.Yu. Millimeter wave continuum absorption in moist nitrogen at temperatures 261−328 К//J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011,112,2704 2712
- Третьяков М.Ю., Серов Е. А. Одинцова Т.А. Равновесное термодинамическоесостояние водяного пара и столкновительное взаимодействие молекул // Изв. Вузов, «Радиофизика» 2011, 54, 778 796,
- Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Belov S.P., Golubiatnikov G.Yu., Parshin V.V., Koshelev M.A., Makarov D.S., Serov E.A. Accurate broadband rotational BWO-based spectroscopy // J. Mol. Spectr. 2012,280,110−118
- Parshin V.V., Tretyakov M.Yu., Koshelev M.A., Serov E.A., Modern resonator spectroscopy at submillimeter wavelengths // IEEE Sensors Journal 2013,13,18 23
- Tretyakov M.Yu., Koshelev M.A., Vilkov I.N., Parshin Y.V., and Serov E.A. Resonator spectroscopy of the atmosphere in the 350−500 GHz range // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013,114, 109−121
- Kogelnik H., Li T. Laser Beams and Resonators // Proc. of the IEEE 1966, 54,1312 1329
- Cullen A.L. Millimeter-wave open-resonator techniques. In book: K.J. Button, Ed. «Infrared and Millimeter Waves», New York, Academic Press, 1983, vol.10, ch. 4, 233−281
- Krupnov A.F., Tretyakov M.Yu., Parshin V.V., Shanin V.N., Myasnikova S.E. Modern millimeter-wave resonator spectroscopy of broad lines // J. Mol. Spectrosc. 2000, 202, 107−115
- Parshin V., van’t Klooster C.G.M., Serov E.A. Antenna Reflectors Reflectivity at 100−350 GHz and 80 K. // Proc. 30th ESA Antenna Workshop. ESTEC Noordwijk, The Netherlands. May 27- 30, 2008, 353 357
- Parshin V.V., Serov Е.А., van’t Klooster C.G.M. Precise Measurements of Materials and
- Media in the mm/sub-mm Ranges // Proc. 6th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2012). Prague, Czech Republic. 26−30 March 2012, CM01.9
- Kasparek W., Fernandez A., Hollmann F., Wacker R. Measurements of ohmic losses of metallic reflectors at 140 GHz using a 3-mirror resonator technique//Int. J. Infrared Millim. Waves. 2001,22, 1695 1707
- Koposova E.V., Myasnikova S.E., Parshin V.V., Vlasov S.N. The absorption investigation in CVD-diamond plates and windows at 50−200 GHz // Diamond and Related Materials 2002,11, 1485−1490
- Liebe H.J. The atmospheric water vapor continuum below 300 GHz//Int. J. Infrared Millim. Waves 1984,5,207−227
- Bauer A., Duterage В., Godon M. Temperature dependence of water-vapor absorption in the wing of the 183 GHz line // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1986,36, 307 318
- Шанин B.H., Доровских B.B., Третьяков М. Ю., Паршин В. В., Шкаев А. П. Автоматизированный резонаторный спектрометр миллиметрового диапазона для исследования малого поглощения в газах//Приборы и техника эксперимента, 2003, № 5,1−7
- Гершензон Е.М., Голант М. Б., Негирев А. А., Савельев К. С. Лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / Под ред. Н. Д. Девяткова. М.: Радио и связь, 1985. 135 с.
- Гершензон Е.М. Субмиллиметровая Спектроскопия // Соросовский образовательный журнал, 1998, № 4, 78 85
- Кошелев М.А. Прецизионные измерения параметров молекулярных линий и параметризация континуального поглощения в мм/субмм диапазоне для атмосферных приложений: дне. к.ф.-м.н.- ИПФ РАН Н. Новгород, 2005
- Дрягин Ю.А. Метод измерения частоты с высокодобротным резонатором Фабри-Перо//Изв. Вузов. «Радиофизика» 1970,13,141 145
- Schulten G. Resonators for mm Waves and Their Use for The Observation of Gas Resonances//Frequenz. 1966,20,10−22-
- Техника Субмиллиметровых волн под ред. Р. А. Валитова, М.: Сов. Радио, 1969, 328−340
- Каплан А.Е. Об отражательной способности металлических пленок в СВЧ- и радиодиапазоне // Радиотехника и электроника. 1964, 9, 1781 1787
- Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М.: Наука, 1987. — 520 с.
- Dingle R.B. The anomalous skin effect and the reflectivity of metals. I // Physica. 1953,19, 311−347
- Гинзбург В.Л., Мотулевич Г. П. Оптические свойства металлов // УФН. 1955, 55, 469−534
- Бардин Дж. Проводимость металлов // УФН. 1941,25, 34 37
- Inagaki S., Ezura Е., Liu J.-F., Nakanishi H. Thermal expansion and microwave surface reactance of copper from the normal to anomalous skin effect region // J. Appl. Phys. 1997, 82, 5401 -5410
- Вигасин A.A., Членова Г. В. Вращательный спектр димеров (НгО)г при атмосферных условиях // Изв. АН СССР Физика атмосферы и океана. 1983,19,703 708
- Scribano Y., Leforestier С. Contribution of water dimer absorption to the millimeter and far infrared atmospheric water continuum // J. Chem. Phys. 2007,126,23 430 144. http://www.terahertz.co.uk/
- Tretyakov M.Yu., Tretyakova S.E., Fedorenko E.F. Transmission-type harmonic mixers of mm-wave range // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2007,28, 839−847
- Krupnov A.F. Phase lock-in of MM/SUBMM backward wave oscillators: Development, evolution and applications // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2001,22,1 1849. http://www.mwl.sci-nnov.ru/instrum.html
- Prigent C., Pardo J.R., and Rossow W.B. Comparisons of the millimeter and submillimeter bands for atmospheric temperature and water vapor soundings for clear and cloudy skies // J. Appl. Meteorol. Climatology. «2006,45, 1622 1633
- Leslie R.V., Staelin D.H. NPOESS aircraft sounder testbed-microwave: Observations of clouds and precipitation at 54, 118, 183, and 425 GHz // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2004,42,2240−2247
- Cimini D., Westwater E.R., Gasiewski A.J., Klein M., Leuski V. Ye, Liljegren J.C. Ground-Based Millimeter- and Submillimeter-Wave Observations of Low Vapor and Liquid Water Contents//IEEE Trans, on Geoscience and Rem. Sens. 2007, 45, 2169−2180
- Liebe H.J. MPM-an atmospheric millimeter-wave propagation model//Int. J. Infrared
- Millim. Waves. 1989,10, 631 -650
- Clough S.A., Kneizys F.X., Davies R.W. Line shape and the water vapor continuum // Atm. Research. 1989,23, 229−241
- Kuhn Т., Bauer A., Godon M., Buhler S., Kunzi K. Water vapor continuum: absorption measurements at 350 GHz and model calculations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2002, 74, 545−562
- Meshkov A.I., De Lucia F.C. Broadband absolute absorption measurements of atmospheric continua with millimeter wave cavity ringdown spectroscopy // Rev. Scientific Instr. 2005, 76,83 103
- Кукин JI.M., Ноздрин Ю. Н., Рядов В. Я., Федосеев Л. И., Фурашов Н. И. Определение вклада мономеров и димеров водяного пара в атмосферное поглощение по данным измерений в диапазоне 1,15−1,55 мм//Радиотехника и электроника. 1975, 20, 2017−2026
- Liebe H.J., Layton D.H. Millimeter-Wave Properties of the Atmosphere: Laboratory Studies and Propagation modeling // NTIA Report No 87−224,1987
- Podobedov V.B., Plusquellic D.F., Fraser G.T. Investigation of the water-vapor continuum in the THz region using a multipass cell // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2005, 91, 287−295
- Podobedov V.B., Plusquellic D.F., Siegrist K.E., Fraser G.T. New Measurements of the Water Vapor Continuum in the Region from 0.3 to 2.7 THz // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2008,109,458−467
- Третьяков М.Ю., Кошелев M.A., Коваль И. А., Паршин В. В., Дрягин Ю. А., Кукин Л. М., Федосеев Л. И. Континуальное поглощение в смеси водяного пара с азотом в диапазоне 100−210 ГГц // Оптика атмосферы и океана. 2007,20,101 105
- Макаров Д.С. Спектр поглощения молекулярного кислорода в миллиметровом диапазоне: измерение и моделирование профиля поглощения в широком интервале температур: дне. к.ф.-м.н.- ИПФ РАН Н. Новгород, 201 164. http://www.rotronic-humidity.com/
- Rosenkranz P.W. Water vapor microwave continuum absorption: A comparison of measurements and models // Radio Sci. 1998,33, 919 928
- Rothman L.S., Jacquemart D., Barbe A., et al. The HITRAN 2004 Molecular Spectroscopic Database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2005, 96, 139 204
- A.A. Викторова, C.A. Жевакин. Поглощение микрорадиоволн в воздухе димерами водяного пара// ДАН СССР. 1966,171,1061 -1064
- Ma Q., Tipping R.H. A simple analytical parameterization for the water vapor millimeter wave foreign continuum // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2003, 82, 517 531
- Ptashnik I.V. Evidence for the contribution of water dimmers to the near-IR water vapour self-continuum//J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2008,109, 831 852
- Hettner G. Infra-red absorption spectrum of water-vapor // Ann. Phys. 1918, 55,476 496
- Elsasser W.M. Far infrared absorption of atmospheric water vapor//Astrophys. J. 1938, 87, 497 507
- Elsasser W.M. Note on Atmospheric Absorption Caused by the Rotational Water Band // Phys. Rev. 1938, 53, 768
- Becker G.E., Autler S.H. Water Vapor Absorption of Electromagnetic Radiation in the Centimeter Wave-Length Range // Phys. Rev. 1946, 70, 300 307
- Bignell K., Saiedy F., Sheppard P.A. On the atmospheric infrared continuum // J. Opt. Soc. Am. 1963,53,466−479
- Varanasi P., Chou S., Penner S.S. Absorption coefficients for water in the 600−1000 cm"1 region// J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1968, 8, 1537−1541
- Викторова A.A., Жевакин C.A. Днмер водяного пара и его спектр // ДАН СССР. 1966,171,833−836
- Викторова А.А., Жевакин С. А. Вращательный спектр димера водяного пара // ДАН СССР. 1970,194,291−294
- Dyke T.R., Mack К.М., Meunter J.S. The structure of water dimer from molecular beam electric resonance spectroscopy // J. Chem. Phys. 1977, 66,498 510
- Odutola J.A., Dyke T.R. Partially deuterated water dimers: microwave spectra and structure // J. Chem. Phys. 1980, 72, 5062−5070
- Mlawer E.J., Payne V.H., Moncet J-L, Delamere J.S., Alvarado M.J., Tobin D.D. Development and recent evaluation of the MTCKD model of continuum absorption // Phil. Trans. R. Soc. A 13. 2012,370, 2520−2556
- Liebe H.J., Hufford G.A., Cotton M.G. Propagation modeling of moist air and suspended water/ice particles at frequencies below 1000 GHz // AGARD Conf. Proc. 1993, 542, 3.1−3.10
- Rosenkranz P.W. Pressure broadening of rotational bands, I. A statistical theory // J. Chem. Phys. 1985, 83,6139−6144
- Rosenkranz P.W. Pressure broadening of rotational bands, II. Water vapor from 300 to1100 cm"11 I J. Chem. Phys. 1987,87,163- 170
- Ma Q., Tipping R.H. Water vapor continuum in the millimeter spectral region // J. Chem. Phys. 1990, 93,6127−6139
- Ma Q., Tipping R.H. Water vapor millimeter wave foreign continuum: A Lanczos calculation in the coordinate representation // J. Chem. Phys. 2002,117,10 581 10 596
- Leforestier C., Tipping R.H., Ma Q. Temperature dependences of mechanisms responsible for the water-vapor continuum absorption. II. Dimers and collision-induced absorption // J. Chem. Phys. 2010,132, 164 302
- Vigasin A.A. Bimolecular absorption in atmospheric gases. In: C. Camy-Peyret, A.A. Vigasin, eds. Weakly interacting molecular pairs: unconventional absorbers of radiation in the atmosphere. Netherlands: Kluwer Academic Publishers- 2003,23 47
- Stogryn D.E., Hirschfelder J.O. Contribution of Bound, Metastable, and Free Molecules to the Second Virial Coefficient and Some Properties of Double Molecules // J. Chem. Phys. 1959,31,1531 -1545
- Ландау Л.Д., Лифшиц E.M., Теоретическая физика. Т.1. Механика. М.: Наука, 1988
- Garden A.L., Halonen L, Kjaergaard H.G. Calculated Band Profiles of the OH-Stretching Transitions in Water Dimer // J. Phys. Chem. A. 2008,112,7439 7447
- Kjaergaard H.G., Henry B.R., Wei H., Lefebvre S., Carrington T. Jr., Mortensen O.S., Sage M.L. Calculation of vibrational fundamental and overtone band intensities of H20 // J. Chem. Phys. 1994,100, 6228 6239
- Rothman L.S., Barbe A., Benner D.C., Brown L.R., Camy-Peyret C., Carleer M.R., et al. The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including updates through 2001. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2003, 82, 5−44.
- Schofield D.P., Kjaergaard H.G. Calculated OH-stretching and HOH-bending vibrational transitions in the water dimer // Phys Chem Chem Phys 2003,5, 3100−3105
- Scribano Y., Goldman N., Saykally R.J., Leforestier C. Water Dimers in the Atmosphere III: Equilibrium Constant from a Flexible Potential // J. Phys. Chem. A. 2006, 110, 5411 -5419
- Harvey A.H., Lemmon E.W. Correlation for the Second Virial Coefficient of Water // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2004,33, 369−376
- Tretyakov M.Yu., Makarov D.S. Some consequences of high temperature water vapor spectroscopy: Water dimer at equilibrium // J. Chem. Phys. 2011,134, 84 306
- Fowler R.H., Guggenheim E.A. Statistical Thermodynamics, Cambridge University Press: 1939
- Хилл Т., Статистическая механика. М: ИЛ, 1960
- Wagner W., Pruss A. The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2002,31,387−53 5101JNIST Chemistry WebBook, http://webbook.nist.pov/chemistrv/fluid/
- Hirschfelder J.O., McClure F.T., Weeks I.F. Second virial coefficients and the forces between complex molecules // J. Chem. Phys. 1942,10,201 211
- Curtiss L.A., Frurip D.J. Studies of molecular association in H2O and D2O vapors by measurement of thermal conductivity // J. Chem. Phys. 1979, 71, 2703 2711
- Suhm M.A. How broad are water dimer bands? // Science 2004,304, 823 824
- Harries J.E., Burroughs W.J., Gebbie H.A. Millimeter wavelength spectroscopic observations of the water dimer in the vapour phase // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1969, 9, 799−807
- Gebbie H.A., Burroughs W.J., Chamberlain J., Harries J.E., Jones R.G. Dimers of the Water Molecule in the Earth’s Atmosphere // Nature. 1969,221, 143 145
- Pfeilsticker K., Lotter A., Peters C., Bosch H. Atmospheric detection of water dimers via near-infrared absorption // Science. 2003,300,2078 2080
- Сердюков В.И., Синица JI.H., Поплавский Ю. А. Регистрация спектров поглощения кластеров воды в атмосферных условиях // Письма в ЖЭТФ, 2009, 89,12−15
- Kassi S., Macko P., Naumenko О., Campargue A. The absorption spectrum of water near 750 nm by CW-CRDS: contribution to the search of water dimer absorption // Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 2460 2467
- Пташник И.В., Третьяков М. Ю. Комментарий к статье «Регистрация спектров поглощения кластеров воды в атмосферных условиях» // Письма в ЖЭТФ. 2010, 91, 269−271
- Fraser G.T., Suenram R.D., Coudert L.H. Microwave electric-resonance optothermal spectroscopy of (H20)2 // J. Chem. Phys. 1989, 90, 6077 6085
- Крупнов А.Ф., Зобов Н. Ф. О возможности экспериментального наблюдения отдельных вращательных линий димера воды в равновесной газовой фазе // Оптика атмосферы и океана, 2007,20, 772 775
- Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Benner D.C., Bernath P.F., Birk M., et al. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009,110, 533−572
- Серов E.A., Третьяков М. Ю. Определение столкновительных параметров компонент вращательного мультиплета J=9 молекулы cf3h методом конволюции // Труды XI научной конференции по радиофизике 7 мая 2007 г., ННГУ им. Лобачевского. Н.