Спектроскопия парникового эффекта

ХИМИЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА М. В. ТОНКОВ Санкт-Петербургский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

GREENHOUSE EFFECT SPECTROSCOPY M. V. TONKOV

© Тонков М.В., 2001

The mechanisms of infrared radiation absorption by the Earth atmosphere that provides for the greenhouse effect are described. This absorption is due to the transitions between vibrational-rotational energy levels of the molecules of water, carbon dioxide, methane, nitrogen monoxide, and other minor constituents of atmospheric gases. The mechanisms responsible for a spectrum's wing formation are discussed, these mechanisms being important for the development of atmospheric "transparency windows". Furthermore, the emergence of forbidden bands in the oxygen and nitrogen spectra is discussed.

52

Описаны механизмы поглощения инфракрасного излучения земной атмосферой, определяющие парниковый эффект. Это поглощение обусловлено переходами между уровнями колебательно-вращательной энергии молекул воды, углекислого газа, метана, закиси азота и других малых составляющих атмосферных газов. Рассмотрены механизмы образования крыльев линий, существенные для формирования окон прозрачности атмосферы, и возникновение запрещенных полос азота и кислорода.

www.issep.rssi.ru

Человеческая деятельность в XX столетии стала столь интенсивной, что начала оказывать влияние на климатические условия в глобальном масштабе. Одним из проявлений этого влияния является усиление парникового эффекта, на которое было относительно недавно обращено внимание мирового сообщества [1, 2]. Суть парникового эффекта состоит в следующем. Излучение Солнца, лежащее в видимой области оптического диапазона, проходит сквозь стекло парника и нагревает землю. В то же время излучение нагретой поверхности Земли, расположенное в инфракрасной области, задерживается этим стеклом, что создает повышенную температуру в парнике по отношению к открытому грунту. Разберем этот вопрос подробнее. Оптический диапазон электромагнитных волн простирается от ультрафиолетовой до длинноволновой инфракрасной области. В этот диапазон попадает основная часть излучения нагретых тел, причем, чем выше температура тела, тем сильнее сдвигается максимум излучения к высоким частотам. Распределение энергии излучения нагретого тела по частотам (или по длинам волн) можно представить известной формулой Планка. Вид кривых распределения для температур 6000 К (температура Солнца) и 290 К (комнатная температура) показан на рис. 1. Как это часто делается в спектроскопии, для частотной шкалы здесь использованы волновые числа ν = 1/ λ (величины, обратные длине волны, их размерность – обратный сантиметр, см−1). Из рис. 1 видно, что большая часть энергии, излученной Солнцем, попадает в видимую (15 000–25 000 см−1) и ближнюю инфракрасную область (5000–15 000 см−1), она будет пропущена стеклом, прозрачным для излучения с частотами выше 3000 см−1. В то же время излучение поверхности Земли располагается в средней инфракрасной области (200–2000 см−1) и будет поглощено стеклом. Рис. 2 поясняет механизм парникового эффекта. При отсутствии стекла вся падающая энергия поглощается поверхностью Земли и снова полностью излучается, но уже в инфракрасной области (рис. 2, a), обеспечивая некоторую температуру T1 . Стекло (рис. 2, б )

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 0 , 2 0 0 1

ХИМИЯ Интенсивность излучения, отн. ед.

СПЕКТРЫ АТМОСФЕРНЫХ ГАЗОВ

290 K

100

6000 K

1000 10 000 Частота, см–1

Рис. 1. Распределение интенсивности излучения тел при разных температурах. Звездочкой обозначена граница прозрачности стекла

прозрачно в видимой и ближней инфракрасной области, но полностью поглощает излучение среднего инфракрасного диапазона, поэтому оно пропускает солнечную энергию и полностью поглощает излученную поверхностью Земли инфракрасную. Эту поглощенную энергию оно, в свою очередь, излучает наполовину вверх и половину вниз. Таким образом, уходящая энергия оказывается вдвое меньше и устанавливается новая температура поверхности T2 > T1 . В атмосфере Земли поглощение излучения не сосредоточено в тонком слое, а распределено по всему ее объему, однако общая картина в принципе та же самая. Солнечное излучение проходит свободно через атмосферу, поскольку в видимой и ближней инфракрасной области она прозрачна, и нагревает поверхность Земли. Нагретая поверхность излучает в средней инфракрасной области, где излучение очень сильно поглощается некоторыми атмосферными газами, при этом атмосфера нагревается. Таким образом, атмосфера Земли играет роль стекла, создавая парниковый эффект для всей планеты. а

F

б

F

F

F/2 Стекло F/2 F

Грунт

Грунт

Рис. 2. Модель парникового эффекта. Объяснения в тексте

Общая характеристика полос атмосферных газов. Для предсказания величины парникового эффекта следует уметь рассчитывать прозрачность атмосферы, то есть рассчитывать спектры молекул, содержащихся в атмосфере. Молекулы взаимодействуют с электромагнитным полем и, следовательно, испускают или поглощают инфракрасное излучение только тогда, когда их колебание или вращение сопровождается изменением дипольного момента в пространстве. Поскольку молекулы основных компонент атмосферы (кислород и азот) не имеют дипольного момента и он не возникает при их колебаниях, эти молекулы не поглощают и не испускают инфракрасное излучение. Основными поглощающими газами в земной атмосфере оказываются пары воды и углекислый газ. Поскольку спектры испускания и поглощения довольно просто связаны между собой, так что нет необходимости рассматривать их отдельно, достаточно рассмотреть только один из них, например спектр поглощения. С точки зрения квантовой механики спектры молекул образуются при переходах между их энергетическими уровнями, при этом колебаниям и вращению молекулы соответствуют дискретные уровни колебательной и вращательной энергии. Энергии этих уровней зависят от колебательного квантового числа ν и вращательного числа J. Энергии колебательных уровней в сотни и тысячи раз больше, чем вращательные энергии, поэтому частоты вращательных и колебательных переходов попадают в разные спектральные области. Переходы и соответствующие им спектры для линейной молекулы схематически изображены на рис. 3. Вращательный спектр отвечает переходам, которые соответствуют увеличению квантового числа J на единицу (J ' − J " = ∆J = +1). В общем случае колебательные переходы сопровождаются вращательными переходами, при которых вращательная энергия (или число J ) может уменьшиться (∆J = −1), увеличиться (∆J = +1) или сохраниться (∆J = 0). Соответственно этому в колебательно-вращательном спектре наблюдаются три ветви: P, R и Q. Ветвь Q имеет обычно тесную вращательную структуру сильно перекрывающихся линий, благодаря этому она более интенсивна, поэтому часто используется для мониторинга при дистанционном зондировании. Ветви P и R имеют более значительную ширину, интенсивность их линий плавно убывает при удалении от центра полосы. Ширина вращательной структуры полосы, а значит, и ширина области, в которой молекула поглощает излучение, определяются ее моментом инерции: чем меньше момент инерции, тем шире полоса.

Т О Н К О В М . В . С П Е К Т Р О С К О П И Я П А Р Н И К О В О ГО Э Ф Ф Е К ТА

53

ХИМИЯ Валентные

J 4

Симметричные

Деформационные

Антисимметричные

ν=1

3

H2O

2 1 CO2 ν1 4

ν2

Рис. 4. Смещения атомов при колебаниях трехатомных молекул для разных колебаний

3

ν=0

2 1 0 P

Вращательный спектр

Q

R

Колебательно-вращательный спектр

Рис. 3. Схема вращательных и колебательно-вращательных переходов линейной молекулы

Вращательные спектры лежат в длинноволновой инфракрасной области (от 10 до 200 см−1), а колебательно-вращательные – в средней инфракрасной области (400–5000 см−1). Рассмотрим спектры молекул, определяющих прозрачность земной атмосферы. Молекула Н2О. Это нелинейная молекула с атомом кислорода в вершине равнобедренного треугольника с углом при вершине 104,5°. Молекула обладает значительным дипольным моментом, изменение ее формы при колебании или ее вращение вызывает поглощение излучения. Спектры молекулы Н2О гораздо сложнее, чем изображенные на рис. 3, ибо в отличие от линейной молекулы она имеет три различных момента инерции. Эта молекула имеет три колебания (рис. 4). Два из них – валентные, они соответствуют симметричному и антисимметричному растяжениям связей групп OH, третье деформационное, оно соответствует изменению угла между связями. Таким образом, молекула Н2О имеет вращательный спектр и три колебательно-вращательные полосы поглощения. Правда, две полосы валентных колебаний (3657 и 3756 см−1) сильно перекрываются и образуют одну полосу поглощения в области около 3500–4000 см−1. Деформационное колебание дает полосу поглощения около 1600 см−1. Каждая полоса содержит сотни колебательно-вращательных линий. Полосы поглощения паров воды очень сильны, их содержание в атмосфере достаточно велико, и, по-

54

ν3

скольку эффективный слой атмосферы составляет несколько километров, излучение в их центральной части будет поглощено полностью. То же можно сказать и про вращательный спектр паров воды – он обеспечивает почти полное поглощение излучения в области низких частот вплоть до 500 см−1. Значительные оптические толщи реальной атмосферы заставляют учитывать при оценках ее прозрачности и более слабые полосы, которые обусловлены поглощением излучения молекулами, находящимися в возбужденных колебательных состояниях, и изотопными модификациями (например, HDO), которые содержатся в природе в незначительных количествах. Молекула СО2 . Это линейная симметричная молекула. Группа СО обладает значительным дипольным моментом, однако молекула в целом его не имеет, поэтому вращательный спектр этой молекулы запрещен. Кроме того, полоса симметричного валентного колебания этой молекулы тоже запрещена, поскольку при таких колебаниях дипольный момент остается равным нулю (см. рис. 4). Таким образом, прозрачность атмосферы определяют две полосы: полоса деформационного колебания, расположенная в области 500–900 см−1 и полоса валентного антисимметричного колебания в области 2200–2400 см−1. Особенно важна, конечно, первая, ибо она попадает в область максимума в распределении излучения тел при температуре, близкой к комнатной. Сделанное выше замечание о слабых полосах особенно важно для молекулы СО2 , поскольку ее деформационное колебание имеет довольно низкую частоту и поэтому легко возбуждается даже при комнатной температуре (заселенность соответствующего состояния ν2 = 1 около 10%). Молекулы СО2 кроме основной изотопной модификации 12С16О2 встречаются в составе 13С16О2 , 12С18О16O и др. Эти молекулы имеют спектры, которые немного отличаются от спектров основной модификации и поэтому должны быть учтены при расчетах прозрачности атмосферы и оценке парникового эффекта. В частности, поглощение в области

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 0 , 2 0 0 1

ХИМИЯ низкочастотного крыла полосы СО2 в области 2200– 2300 см−1 связано в первую очередь с полосой молекулы 13 16 С О2 . Молекулы H2O и СО2 в основном формируют спектр поглощения атмосферы. В общих чертах можно сказать, что атмосфера непрозрачна в области низких частот оптического диапазона вплоть до 900 см−1 из-за поглощения излучения парами воды и углекислым газом. Затем идет окно прозрачности 900–1200 см−1, это окно особенно важно для парникового эффекта, поскольку оно расположено вблизи максимума в спектре испускания тел при температурах порядка комнатной. После этого следует область поглощения полос воды и углекислого газа, затем снова окно прозрачности 2400– 3400 см−1 вплоть до следующей области поглощения радиации парами воды за счет полос валентных колебаний молекулы Н2О. Выше 4000 см−1 располагаются гораздо более слабые полосы поглощения, их интенсивность быстро падает с ростом частоты. Другие молекулы. Важность других молекул для формирования прозрачности атмосферы существенно определяется тем, попадают их полосы поглощения в окна прозрачности или нет. Молекула озона нелинейная, атомы кислорода образуют равнобедренный треугольник с тупым углом при вершине. У этой молекулы есть дипольный момент, поэтому она обладает не только колебательно-вращательным, но и вращательным спектром. Из всех колебательно-вращательных полос наибольшее влияние на прозрачность атмосферы оказывает самая интенсивная полоса, расположенная при частоте 1042 см−1 – в середине окна прозрачности атмосферы. Однако влияние озона на парниковый эффект неоднозначно – увеличение его содержания действительно приводит к усилению поглощения инфракрасной радиации, что усиливает парниковый эффект. В то же время увеличение содержания озона ослабляет приток солнечной энергии из-за ее поглощения в ультрафиолетовом диапазоне – здесь у этой молекулы есть полоса поглощения, обусловленная электронными переходами. Меньшее влияние на возникновение парникового эффекта оказывают метан CH4 (главная полоса расположена около 1300 см−1), закись азота N2O (полосы 589, 1285 и 2224 см−1) и окись углерода CO (полоса 2143 см−1). Еще меньше влияют содержащиеся в незначительном количестве двуокись азота NO2 , азотная кислота HNO3 , аммиак NH3 , сернистый газ SO2 и галогензамещенные углеводороды (фреоны). Последние тем не менее оказываются важными потому, что полосы поглощения, отвечающие валентным колебаниям группы C–F, расположены вблизи 1000 см−1, то есть попадают в середину окна прозрачности атмосферы. Однако для оценки динамики парникового эффекта кроме абсолютного

вклада в величину важна еще стабильность содержания примесей. И вот тут оказывается, что кроме углекислого газа (рост количества которого имеет наиважнейшее значение для возрастания парникового эффекта) существенное влияние на изменение парникового эффекта оказывают самые незначительные примеси в атмосфере, если их полосы попадают в область прозрачности и если содержание этих примесей демонстрирует тенденцию к росту. Здесь оказываются особенно важными фреон-11, фреон-12, закись азота, метан и озон. КОНТУРЫ ЛИНИЙ И ПОЛОС До сих пор мы считали, что каждому колебательно-вращательному переходу в спектре отвечает бесконечно узкая линия. Однако в действительности это не так: каждой линии в спектре отвечает свой контур со своей шириной. Механизмы уширения линий различны для молекул, находящихся в разных физических условиях. В верхних слоях атмосферы, где давление газа невелико, доминирует эффект Доплера, в то время как в нижних слоях, где давление относительно велико и столкновения часты, именно они и определяют контуры линий. Рассмотрим эти механизмы немного подробнее, поскольку, как это будет видно из дальнейшего изложения, форма спектральных линий и полос существенно определяет прозрачность атмосферы. Эффект Доплера. За счет эффекта Доплера мы наблюдаем не ту частоту, которую движущиеся молекулы излучают или поглощают. Например, если молекула движется на нас по оси z со скоростью υz , ее наблюдаемая частота увеличится и вместо ν0 будет равна ν = ν0 + + ν0(υz / c). Поскольку молекулы движутся по разным направлениям и с разными скоростями, вместо одной частоты в спектре мы наблюдаем сплошной набор частот, то есть линия становится шире. Ее форма определяется числом молекул, которые обладают данной частотой. В свою очередь, это число определяется распределением молекул по скоростям. В условиях теплового равновесия это распределение описывается законом Максвелла. Это и приводит к контуру Доплера, который представляет собой гауссовское распределение интенсивности по частотам: D( ν) =

ν–ν ln 2 --------2 exp – ln 2  --------------0 .  γ  πγ 2

Это известная функция Гаусса (рис. 5) с максимумом около частоты ν0 и с полушириной γ (половина ширины на половине высоты). Величина γ может быть выражена через абсолютную температуру газа Т и массу молекулы (массовое число) М: γ = 0 ,35 ⋅ 10 ν 0 T ⁄ M (см−1). Для

Т О Н К О В М . В . С П Е К Т Р О С К О П И Я П А Р Н И К О В О ГО Э Ф Ф Е К ТА

–6

55

ХИМИЯ 1,0

Пропускание

0,8 0,6 0,4 0,2 0 Частота Рис. 5. Сравнение контуров доплеровского (пунктир) и столкновительного (сплошная кривая) уширения в спектре поглощения для линий с одинаковой полушириной. Синий цвет соответствует слою в 100 раз большему, чем для обозначенного красным цветом

молекулы Н2О в полосе около 1600 см−1 оценка дает величину 0,003 см−1. Характерной чертой доплеровского контура является быстрое убывание крыльев линий (см. рис. 5), поэтому доплеровский механизм не нужно учитывать при расчете вклада крыльев далеких линий в поглощение радиации, например в окнах прозрачности атмосферы. Уширения столкновениями. При оценке величины уширений молекулярных линий столкновениями полезно вспомнить соотношение неопределенностей Гейзенберга в форме ∆Ei ∆ti ≈ ", где " – постоянная Планка. Это соотношение ограничивает точное определение величины энергии системы Ei в состоянии i при конечном времени жизни ∆ti в этом состоянии. Поскольку частота линии определяется как E f – Ei -, ν fi = ---------------2πc" неопределенность ее величины находится из суммы неопределенностей в величинах энергии соответствующих уровней. Если принять, что время жизни молекулы на стационарных уровнях ∆t совпадает со временам ее свободного пробега τ0 , получим, что ширина линии γ ≈ τ 0 . Расчеты показывают, что в условиях, когда столкновительный механизм уширения доминирует, а сами столкновения могут считаться мгновенными, линии имеют форму, которая носит название контура Лоренца (см. рис. 5): –1

1 γ -. L ( ν ) = --- ------------------------------π ( ν – ν0 )2 + γ 2 Как и для предыдущего случая, величина ν0 – частота максимума линии, а γ – ее полуширина. Посколь-

56

ку эта величина определяется столкновениями, а их число линейно возрастает с ростом давления, ширина линий также увеличивается с давлением линейно. При атмосферном давлении эта величина обычно составляет доли см−1, то есть в десятки раз больше доплеровской, однако в стратосфере доплеровский механизм начинает превалировать. Характерная черта лоренцевского контура – довольно пологие крылья. Их асимптотика (ν − ν0)−2, что резко отличает этот контур от доплеровского (см. рис. 5). Как видно из этого рисунка, при больших оптических толщинах при равных ширинах линий поглощение в крыльях для лоренцевской линии может быть на много порядков больше, чем для доплеровской. Более того, даже если обусловленная столкновениями ширина линии много меньше доплеровской (как это бывает в верхних слоях атмосферы), поглощение между линиями полос обычно все равно определяется лоренцевскими крыльями. Таким образом, поведение крыльев линий оказывается очень существенным фактором, фактически определяющим прозрачность атмосферы при больших поглощающих слоях. Если расчет ширин линий при механизме доплеровского уширения производится элементарно, расчеты столкновительного уширения крайне сложны. Эта задача не может считаться решенной до сих пор, особенно если дело касается линий, связанных с переходами между высоко возбужденными вращательными состояниями. К сожалению, именно эти линии находятся на периферии колебательно-вращательных полос и оказываются существенными при расчетах пропускания атмосферы в области окон прозрачности. Стоит отметить, что медленный спад интенсивности крыльев в ударном контуре делает ударное уширение ответственным за поглощение излучения и за пределами полос, даже когда центральные участки линий описываются доплеровским контуром. Однако в последнем случае оценки поглощения оказываются завышенными, о чем будет идти речь ниже. Крылья полос. Существует еще один эффект, который необходимо учитывать при расчетах спектров атмосферных газов, – это интерференция линий, приводящая к тому, что при перекрывании линий результирующий контур не является суммой контуров изолированных линий. Эффект интерференции линий можно качественно описать на примере двухчастотного осциллятора, излучающего синусоидальное колебание, причем каждое столкновение меняет его частоту. При редких столкновениях цуги волн, излученных осциллятором, имеют большую длину, поэтому в спектре наблюдаются две линии, которые уширены мало и перекрываются слабо. При увеличении частоты столкновений вместо двух

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 0 , 2 0 0 1

ХИМИЯ синусоид выделяется одна со средней частотой осцилляции, это приводит к тому, что вместо двух линий наблюдается только одна. По мере уменьшения времени свободного пробега “качество” синусоиды становится все более совершенным и линия сужается. Общую картину можно охарактеризовать как перекачку спектральной интенсивности из периферии спектрального кластера (группы линий) в его центр. Эффект интерференции линий проявляется в тех спектральных областях, где поглощение обусловлено сразу несколькими перекрывающимися линиями. Вопервых, это области, где линии расположены особенно густо. Наиболее типичным примером таких областей являются ветви Q. Этот факт имеет большее значение для мониторинга малых газовых составляющих атмосферы, поскольку интерференция линий сильно модифицирует контуры этих ветвей, используемых, как правило, для анализа. Во-вторых, существенное перекрывание линий возникает в области их крыльев, например на периферии колебательно-вращательных полос. Этот эффект сильно меняет интенсивность и форму крыльев по отношению к предсказаниям теории для независимых линий. Асимптотика крыла полосы оказывается не (ν − ν0)−2, как это получается для лоренцевского контура изолированных линий, а (ν − ν0)−4 – это увеличивает прозрачность атмосферы. Такой эффект нельзя не учитывать при расчете оптических свойств атмосферы в ее окнах прозрачности, ибо они в значительной степени зависят от формы крыльев полос. Учет эффекта интерференции для крыльев полос СО2 позволяет рассчитать их форму достаточно точно, однако в случае полос Н2О наблюдаемое поглощение оказывается больше рассчитанного. Расхождение, по-видимому, объясняется тем, что форма крыльев полос определяется и другими эффектами, учет которых довольно сложен. Это, во-первых, конечная длительность столкновений, не учтенная в модели мгновенных столкновений, и, во-вторых, возможное образование молекулярных комплексов в атмосфере. Оба этих эффекта в настоящее время не учитываются достаточно строго. Вследствие этого вычисление вклада крыльев полос паров воды в оптические характеристики окна прозрачности 900–1200 см−1 достаточно точно провести не удается. В то же время именно этот вклад в наибольшей степени определяет оптические свойства земной атмосферы в окне прозрачности 900–1200 см−1. Запрещенные полосы поглощения. Выше было сказано, что симметричные двухатомные молекулы из-за отсутствия у них дипольного момента не имеют полос поглощения в инфракрасной области. Однако это справедливо только для изолированных молекул. Во время столкновения симметрия молекулы понижается

и у молекулы может появляться дипольный момент за счет искажения электронной оболочки. В результате возникают спектры, которые получили название спектров, индуцированных столкновениями [5]. Индуцированные столкновениями полосы наблюдаются для молекул кислорода и азота – основных компонентов атмосферы. Несмотря на то, что соответствующие полосы очень слабы, благодаря значительным толщам атмосферы они оказываются вполне заметными и должны быть учтены при расчетах ее прозрачности. Для индуцированных полос характерны следующие черты, отличающие их от обычных разрешенных. 1. В отличие от обычных полос поглощения для индуцированных столкновениями полос при не слишком больших плотностях газа характерна не линейная, а квадратичная зависимость интенсивности полос от плотности газа. Это объясняется тем, что интенсивность пропорциональна числу сталкивающихся пар, которое растет с давлением квадратично. Кроме того, интенсивность индуцированных полос растет при добавлении постороннего газа. Благодаря такой зависимости индуцированное столкновениями поглощение существенно только для нижних слоев атмосферы, где давление достаточно велико. 2. Поскольку время жизни индуцированного дипольного момента определяется длительностью столкновений τc , а не временем свободного пробега, для индуцированных переходов характерна большая ширина линий, близкая к τ c . Для большинства случаев эта ши–1

рина составляет десятки см−1 (вспомним, что ширина линий разрешенных полос в условиях атмосферы составляет доли см−1). Из-за этого вращательная структура индуцированных полос не разрешается: наблюдаются широкие бесструктурные полосы. Для земной атмосферы наиболее существенны индуцированные полосы поглощения кислорода (около 1600 см−1) и азота (вблизи 2350 см−1). Обе эти полосы перекрываются с более сильными полосами Н2О и СО2 соответственно. Однако при низких давлениях паров воды (например, зимой в приполярных областях) индуцированная полоса поглощения кислорода дает существенный вклад в прозрачность атмосферы, а индуцированная полоса азота, будучи более широкой, чем полоса СО2 , в значительной мере определяет оптические свойства атмосферы в окне прозрачности атмосферы 2400–3300 см−1. В настоящее время индуцированные спектры хорошо изучены и их учет в расчетах прозрачности атмосферы несложен. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В расчетах оптических свойств атмосферы до настоящего времени остается немало спектроскопических

Т О Н К О В М . В . С П Е К Т Р О С К О П И Я П А Р Н И К О В О ГО Э Ф Ф Е К ТА

57

ХИМИЯ проблем, связанных с недостаточным знанием параметров тонкой структуры полос (в первую очередь это касается линий, отвечающих переходам между уровнями высоко возбужденных вращательных состояний) и остающимися трудностями в расчетах крыльев вращательных и колебательно-вращательных полос. Динамика парникового эффекта в основном связана с ростом содержания в земной атмосфере углекислого газа. При этом увеличивается ширина спектральной области, в которой поглощается энергия излучения поверхности Земли за счет все более и более интенсивного поглощения периферическими линиями и крыльями полос. Таким образом, для предсказания парникового эффекта именно здесь нужно знать спектроскопические характеристики полос наиболее точно. Другим слабым местом расчетов является сложность в предсказании крыльев линий молекулы Н2О, в значительной степени определяющих окно прозрачности атмосферы 900–1200 см−1. Однако здесь ситуация несколько облегчается за счет обширного эмпирического материала, накопленного к настоящему времени.

58

ЛИТЕРАТУРА 1. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы / Под ред. Б. Болина и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 570 с. 2. Зуев В.Е., Титов Г.А. Оптика атмосферы и климат. Спектр, 1996. 270 с. 3. Goody R.M., Yung Y.I. Atmospheric Radiation. Oxford Univ. Press, 1989. 520 p. 4. Filippov N.N., Tonkov M.V. Spectrochim. Acta. 1996. Vol. 52A. P. 901–918. 5. Frommhold L. Collision-Induced Absorption in Gases. Cambridge Univ. Press, 1993. 410 p.

Рецензент статьи Н.Ф. Степанов *** Михаил Васильевич Тонков, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, зав. сектором молекулярной спектроскопии атмосферных газов Научно-исследовательского института физики Санкт-Петербургского университета. Область научных интересов – спектроскопия молекулярных газов, контуры спектральных линий и полос, спектральные проявления взаимодействий молекул при их столкновениях. Автор свыше 130 научных работ.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 0 , 2 0 0 1