В Институте прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН впервые в мире предложили модель малоизученного компонента спектра поглощения водяного пара — континуума, основанная на физических механизмах его формирования. Она позволяет существенно увеличить точность определения атмосферных характеристик, в первую очередь влажности и температуры, которые необходимы при прогнозировании погоды и долгосрочных изменений климата.
Водяной пар / © Andreas Strandman, unsplash.com
Результаты опубликованы в Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. Водяной пар – это парниковый газ, являющийся основным поглотителем излучения в атмосфере Земли. Он отвечает за 60% парникового эффекта при ясном небе в инфракрасном диапазоне при длинах волн более 4 мкм, а также примерно за 60% от общего атмосферного поглощения на длинах волн меньше 4 мкм. Молекула воды может израсходовать энергию поглощенного электромагнитного излучения на вращения или колебания, частоты которых соответствуют спектральным линиям водяного пара. Но в начале прошлого века ученые экспериментально обнаружили, что в спектре водяного пара также есть составляющая, дающая заметный вклад в наблюдаемое поглощение между спектральными линиями. Ее назвали континуальным поглощением или континуумом.
Дискуссии о физической природе континуума продолжаются до сих пор. Его появление связывают с тем, что молекулы водяного пара взаимодействуют друг с другом и с другими атмосферными молекулами в ходе их соударений, происходящих не мгновенно и не упруго. Из-за этого образуются двойные молекулы – димеры, а форма линий одиночных молекул искажается. Однако теоретические расчеты атмосферного континуума затруднительны.
Поэтому в атмосферных приложениях обычно используются эмпирические или полуэмпирические модели. Их применимость ограничена тем, что они работают только в определенных диапазонах давлений и температур и могут неточно воспроизводить экспериментально наблюдаемые спектральные особенности. Так, в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн для атмосферных приложений используют модель МРМ (Millimeter wave Propagation Model). Но заложенная в ней упрощенная частотная зависимость континуума приводит к ошибке яркостной (излучательной) температуры атмосферы до 30 градусов Кельвина, тогда как современные требования к точности – десятая доля градуса.
«Исследование атмосферного континуума в нашем отделе продолжается уже больше десяти лет. Мы с коллегами провели многочисленные экспериментальные исследования спектра водяного пара с помощью резонаторного спектрометра, разработанного в ИПФ РАН, а также Фурье-спектрометра лаборатории AILES при синхротроне SOLEIL (Франция). Они позволили пронаблюдать в эксперименте и учесть при моделировании атмосферного поглощения вклад димеров воды, который оказался значительным в субтерагерцовом диапазоне частот», – рассказала старший научный сотрудник отдела микроволновой спектроскопии ИПФ РАН, кандидат физико-математических наук Татьяна Галанина.
«Объединив результаты своих измерений со всеми известными на сегодняшний день теоретическими и экспериментальными исследованиями континуума, мы впервые смогли разделить вклады в поглощение димеров и дальних крыльев резонансных линий в субтерагерцовом диапазоне», – продолжает научный сотрудник отдела, кандидат физико-математических наук Александра Королева. – «Это позволило построить модель континуума, учитывающую его физическую природу, но остающуюся простой для практических применений. На данный момент модель включена в библиотеки, используемые для обработки наземных и спутниковых данных, и будет апробирована в ходе современных атмосферных измерений».
Успех проекта обеспечил большой опыт исследований молекулярных спектров атмосферного поглощения, а также экспериментальная техника, превосходящая по основным параметрам известные аналоги. С появлением новых теоретических и экспериментальных данных о континууме будет проводиться расширение модели на другие молекулы и частотные диапазоны.
