Спектроскопия дипольно-запрещенного и континуального поглощения: от прецизионного эксперимента и неэмпирической теории к атмосферным приложениям

Моделирование поглощения излучения в атмосфере Земли (в интересах средств связи, для предсказания погодных явлений, климатических изменений и пр.) и других планет является одним из важнейших приложений молекулярной газовой спектроскопии. Непрерывно растущие требования к точности моделирования привели к необходимости детального физически-обоснованного учета столкновительно-индуцированной составляющей поглощения излучения во всех газах, возникающей из-за их неидеальности. Проект направлен на восполнение недостатка знаний о процессах, приводящих к поглощению такого типа и его количественных спектроскопических характеристиках в различных газах при различных термодинамических условиях. Для решения поставленной задачи предлагается применение оригинального, разработанного авторами заявки и протестированного на простейших молекулярных парах, траекторного метода. Метод основан на вычислении поглощения на основе Фурье-образа от функции эволюции во времени совместного дипольного момента двух сталкивающихся молекул. Эволюция дипольного момента численно рассчитывается вдоль траектории движения пары молекул в поле точного потенциала взаимодействия молекул, получаемого методами квантовой химии. Усреднение по ансамблю молекул выполняется методом Монте-Карло. Подобный расчет может быть выполнен для любых практически важных температур газа от единиц до сотен градусов кельвина и не требует таких огромных вычислительных ресурсов, как метод молекулярной динамики или квантово-механический метод. Работоспособность метода будет продемонстрирована в рамках проекта на примерах расчета рототрансляционных спектров важных для приложений пар неполярных 3-4 атомных атмосферных молекул в приближении жестких внутримолекулярных связей. Также будут рассмотрены теоретические основы и проанализированы особенности применения метода для его обобщения на произвольные нежесткие полярные молекулы. Достоверность результатов расчета будет оцениваться по их согласию с полученными в рамках проекта экспериментальными спектрами в миллиметровом-субмиллиметровом диапазонах длин волн, с помощью разработанного авторами проекта резонаторного спектрометра, значительно превосходящего все известные аналоги по широкодиапазонности и чувствительности. Это впервые позволит получить детальную экспериментальную информацию о характерных особенностях спектральных функций бимолекулярного поглощения для исследуемых газов и газовых смесей. Совпадение расчетных и экспериментальных спектров в диапазоне рабочих частот спектрометра будет свидетельством справедливости расчетов в гораздо более широких пределах. Расчетные данные о рототрансляционных бимолекулярных спектрах будут размещаться в недавно созданном специализированном разделе индуцированных спектров в международной спектроскопической базе данных HITRAN и использоваться для решения задач распространения излучения в газах.