1.4 Экспериментальное исследование в области поглощения инфракрасного излучения атмосферными газами

     Исследования поглощения газами ЛЭ очень важны для разных отраслей физики и техники, в частности: атмосферной физики, теории строения атомов и молекул, прикладной, в том числе бездисперсионной, спектроскопии. Для ИК-области характерны так называемые колебательно-вращательные полосы поглощения, представляющие собой последовательности линий поглощения, контур каждой из которых определяется межмолекулярными соударениями и описывается выражением:

,

(1-6)

     где a_i - интегральная интенсивность i-й линии; d_i - полуширина линии; n_0i - центр линии.

     Коэффициент поглощения K(n) полосы выражается суммой коэффициентов поглощения отдельных линий:

(1-7)

     Для вычисления ряда (1-7) вводились различные допущения о характере изменения a_i, d_i и n_0i в пределах колебательно-вращательной полосы. У. Эльзассер рассматривал полосу поглощения как бесконечную последовательность одинаковых по интенсивности (a_i=const) и полуширине (d_i=d) равноотстоящих линий.

     Была рассмотрена модель полосы поглощения, в которой равноотстоящие линии равной полуширины d имеют распределение интенсивности в каждой из двух ветвей полосы, соответствующее распределению молекул по вращательным уровням энергии.

     Ширина Dn колебательно-вращательной полосы в пределах вращательной структуры приближенно определяется соотношением:

(1-9)

     для двухатомных и линейных молекул и для сферических волчков:

(1-10)

     В табл. 1.1 приведены данные по расчетной ширине полос некоторых газов, вычисленные по приведенным формулам.

     Таблица 1.1

     Расчетная ширина колебательно-вращательных полос поглощения некоторых газов при T=273 К

Газ	В, см-1	Вhc·10-4/kT	d, см-1	Dn, см-1
CO2	0,39	20,6	1,56	103
N2O	0,42	22,1	0,84	107
CO	1,93	102	3,86	230
CH4	5,25	277	10,5	464

     В табл. 1.2 приведены параметры тех же газов, найденные по экспериментальным данным.

     Таблица 1.2

     Значения a,d колебательно-вращательных полос поглощения некоторых газов

Газ	n0,см-1	a,см-1	Pe,кПа	d,см-1
CO2	2350	2500	200	11,4· 10-2
			101,4	8,2· 10-2
			33,3	3,9· 10-2
			13,3	2,3· 10-2
			5,34	1,0· 10-2
			2,67	5,6· 10-3
	667	200	101,4	6,4· 10-2
	3609	37	200	9,7· 10-2
			101,4	6,6· 10-2
			33,3	3,7· 10-2
			13,3	1,4· 10-2
			5,34	6,6· 10-3
			2,67	4,7· 10-3
	3716	54	200	9· 10-2
			101,4	6· 10-2
			33,3	3,5· 10-2
			13,3	1,4· 10-2
			5,34	6,4· 10-3
			2,67	4,5· 10-3
N2O	2224	1920	400	7,1· 10-2
			101,4	5· 10-2
			33,3	2,5· 10-2
			13,3	1,4· 10-2
			5,34	7,6· 10-3
			2,67	4,2· 10-3
CO	2143	260	400	0,19
			101,4	6,5· 10-2
			33,3	2,4· 10-2
			13,3	9,6· 10-3
			5,34	5,5· 10-3
			2,67	2,7· 10-3

     Спектр окиси углерода из-за своей простоты изучен достаточно подробно. Дипольный момент этой молекулы равен 0,1D. Чисто вращательный спектр расположен в далекой инфракрасной и микроволновой областях.

     Основная колебательно-вращательная полоса молекулы С¹²O¹⁶ находится около 2143,2 см^-1 (4,67 мкм). Первый обертон полосы имеет центр около 4260см^-1.

     В табл. 1.3 представлены положения центров различных полос СО, приведенные в работе [9].

     Таблица 1.3

     Положение центров полос СО

Полосы	Расчет,см-1	Наблюдение,см-1
1-0	2143,2740	2143,2740
2-0	4260,0646	4260,0646
3-1	4207,1664	4207,1680
4-2	4154,4056	4154, 4040
5-3	4101,7820	-
6-4	4049,2958	-
7-5	3996, 9466	-
3-0	6350,4404	6350,436
4-0	8414,4702	8414,458