Влияние молекулярного поглощения на оптический сигнал

(Данная статья получена на сайте http://www.openhardware.ru)

Атмосфера состоит главным образом из азота, кислорода и аргона, процентное содержание которых приведено в таблице. Кроме того, в таблице приводятся данные о других компонентах атмосферы, за исключением водяного пара.

Table: Состав сухого воздуха
   
Составляющие атмосферы
Средняя объемная концентрация в тропосфере, %
Примечание
$N_2$ $78.084$ В верхней ионосфере диссоциирует; на более низких уровнях перемешан.
$O_2$ $20.946$ Диссоциирует выше 95 км; на более низких уровнях перемешан.
$Ar$ $0.934$ Перемешан до высоты 110 км; выше-диффузионное разделение.
$CO_2$ $3.3\cdot10^{-2}$ Испытывает незначительные изменения; перемешан до 100 км; выше-диссоциирует
$Ne$ $1.818\cdot10^{-3}$ Перемешан до 100км; выше-диффузионное разделение.
$He$ $5.24\cdot10^{-4}$ Перемешан до 110 км; выше-диффузионное разделение.
$CH_4$ $1.6\cdot10^{-4}$ В тропосфере перемешан; в стратосфере окисляется; в мезосфере диссоциирует.
$Kr$ $1.14\cdot10^{-4}$ Перемешан до 100 км; выше-диффузионное разделение.
$H_2$ $5\cdot10^{-5}$ В тропосфере и стратосфере перемешан, выше диссоциирует.
$N_{2}O$ $3.5\cdot10^{-5}$ У поверхности земли испытывает незначительные изменения; постепенно диссоциирует в стратосфере и мезосфере.
$CO$ $7\cdot10^{-6}$ Продукт окисления, содержание изменчиво.
$O_3$ $10^{-6}$ Испытывает сильные изменения, имеет фотохимическое происхождение.
$NO_2$

$NO$
 от $0$ до $2\cdot10^{-6}$ В тропосфере имеет промышленное происхождение; в мезосфере и ионосфере-фотохимической природы.
     

В атмосфере содержатся так же следы многих других газов, не оказывающих однако сколько-нибудь существенного влияния на поглощение видимых и инфракрасных волн. В отдельных локальных районах можно встретить газы, поглощающие видимые и инфракрасные излучения, но не приведенные в таблице. Такие районы должны быть исследованы дополнительно.

Уменьшение давления с высотой достаточно хорошо описывается экспоненциальным законом. Концентрация водяного пара чрезвычайно изменчива во времени и пространстве. Однако, с увеличением высоты (по крайней мере до 10 км) она убывает.

В первом приближении энергию изолированной молекулы можно представить в виде:


\begin{displaymath} E=E_p+E_e+E_k+E_v \end{displaymath} (2)

,где:

$E_p$-энергия поступательного движения, которая зависит от скорости движения и может принимать любые значения;

$E_e$-энергия электронов;

$E_k$, $E_v$-колебательная и вращательная энергии.

$E_e$, $E_k$ и $E_v$ могут принимать только дискретные значения. Их изменение может происходить только скачком, сопровождающимся или поглощением или излучением кванта света определенной частоты.

Формула справедлива только для случая, когда можно пренебречь взаимодействием различных видов движения молекулы. В общем случае, энергия молекулы записывается:


\begin{displaymath} E=E_p+E_e+E_k+E_v+E_{ek}+E_{ev}+E_{kv} \end{displaymath} (3)

,где последние три члена обязаны учету взаимодействия различных видов движения молекулы.

Величины электронной, колебательной и вращательной энергии молекулы имеют разные порядки. Так, энергия электронных переходов имеет порядок нескольких электрон-вольт, колебательная энергия измеряется десятыми и сотыми долями электрон-вольт и вращательная энергия-тысячными и десятитысячными долями электрон-вольт. Соответственно величине энергии электронные спектры молекул занимают ультрафиолетовую и видимую часть спектра, колебательные-близкую инфракрасную, вращательные-далекую инфракрасную и микроволновую.

Электронно-колебательно-вращательный спектр представляет собой набор полос. Каждой совокупности переходов молекулы между двумя электронными состояниями соответствует электронная полоса, состоящая из набора колебательно-вращательных полос. Каждая полоса имеет конечную ширину, контур спектральных линий определяется действием трех эффектов:

Кратко рассмотрим спектр основных поглощающих газов.


Водяной пар

Анализ колебательно-вращательного спектра водяного пара показывает, что наиболее интенсивная и широкая полоса поглощения молекулы находится в диапазоне от 5.5 мкм до 7.5 мкм. Следующая сильная полоса поглощения от 2.6 до 3.3 мкм. В этих полосах полностью поглощается солнечное излучение в вертикальном столбе атмосферы. Другие колебательно-вращательные полосы поглощения с центрами около длин волн: 1.87; 1.38; 1.1; 0.94; 0.81; 0.72 мкм. Несколько слабых полос имеется в видимой области спектра.

Тонкая структура колебательно-вращательного спектра водяного пара чрезвычайно сложна и запутана. Каждая из этих полос состоит из сотен и даже тысяч отдельных линий, идентификация которых представляет собой весьма сложную задачу.


Углекислый газ

Одна из основных колебательно-вращательных полос с центром около длины волны 15 мкм вместе с 14 полосами верхних состояний занимает довольно широкий интервал спектра, примерно от 12 до 20 мкм. В районе центральной части этой полосы (13,5-16,5 мкм) вертикальный столб атмосферы полностью поглощает солнечное излучение. Вся эта совокупность полос часто в литературе называется полосой 15 мкм. Еще одна основная колебательно-вращательная полоса с центром в 4,3 мкм шириной от 4,2 до 4,4 мкм имеет такую высокую интенсивность, что полностью поглощает в этом диапазоне солнечное излучение уже на высоте 20 км.

Кроме основных полос, есть еще ряд небольших полос поглощения с центрами в: 10.4; 9.4; 5.2; 4.8; 2.7; 2.0; 1.6; 1.4 мкм и ряд слабых полос в районе от 1.24 мкм до 0.78 мкм.


Озон

Молекулы озона имеют полосы поглощения с центрами: 9.1; 9.6; 14.1 мкм. Обертоны и составные частоты колебаний молекулы озона создают колебательно-вращательные полосы этой молекулы в районах: 2.7; 3.27; 3.59; 4.75; 5.75 мкм, из которых наиболее интенсивной является полоса 4.75 мкм. Поглощение полосы $O_3$ в 9.6 мкм находится в центре длинноволнового ``окна'' прозрачности атмосферы 8-13 мкм. Ее центральная часть шириной около 1.0 мкм в вертикальном столбе атмосферы поглощает примерно половину солнечного излучения.


Кислород

В ближней инфракрасной области молекула $O_2^{16}$. Имеет заметные полосы, центры которых располагаются около длин волн 1,2683 мкм и 1,0674 мкм. Молекула изотонической модификации кислорода $O^{16}O^{18}$ имеет полосы, лежащие в красной области в районах около длин волн: 0.7620 мкм, 0.6901 и 0.6317 мкм.


Закись азота

Молекула $N_2O$ имеет много полос обертонов, составных частот и верхних состояний. Большинство их этих полос очень слабы. В солнечном спектре проявляются следующие полосы: 2.11; 2.16; 2.27; 2.28; 2.87; 2.97; 3.57; 3.88; 3.90; 4.06; 4.50; 4.52; 7.78; 9.56; 17.0 мкм.


Метан

Молекула $CH_4$ имеет следующие полосы поглощения с центрами: 1.67; 1.71; 1.73; 2.20; 2.32; 2.37; 2.43; 3.31; 3.55; 3.85; 7.66 мкм.


Окись углерода

Основная колебательно-вращательная полоса молекулы $CO$ находится около 4.67 мкм.


Учет всех линий поглощения молекул в атмосфере весьма сложная задача. Учесть молекулярное поглощение можно двумя путями: составить физическую модель атмосферы и снять эксперимнтальные данные и экстраполировать их. Проблемой составления физической модели атмосферы занимался в частности Институт Оптики Атмосферы СО РАН. За годы исследования проделана большая работа. На рисунке показана зависимость пропускания атмосферы снятая экспериментально.

Figure: Зависимость пропускания атмосферы от длины волны
Зависимость пропускания атмосферы от длины волны

При расчете оптических атмосферных линий связи выбирается так называемое ``окно'' прозрачности атмосферы, в котором будет работать оптико-электронный прибор. В случае использования в качестве передающих элементов лазеров, необходимо с большой точностью знать спектр излучения лазера, спектр поглощения атмосферы на выбранном участке и закон изменения спектра излучения лазера от воздействия внешних возмущений (изменение давления, нагрев рабочего тела).

Назад