Теоретические исследования процессов поглощения и фотохимии и их применение в радиационных блоках климатических моделей

В последнее время становится доступным решение многих важных проблем, которые ранее казалось невозможным даже и ставить. К таким проблемам относится, в частности, проблема климата. Она целиком лежит в предметной области физики, однако, многообразие факторов, влияющих на климат, настолько велико, что только появление больших вычислительных ресурсов позволило приняться за ее решение с достаточной степенью строгости. Основным инструментом исследования климата является моделирование, и наличие компьютеров позволило достичь в течение последних десятилетий большого совершенства в детализации описания процессов, протекающих в земной климатической системе. Можно предположить, что с прогрессом вычислительной техники климатические модели будут способны почти точно воспроизводить природные явления, обеспечивая и необходимые прогнозы погоды, и наступление глобальных изменений климата. С точки зрения физики на этом пути нет принципиальных препятствий. Однако, платой за успех может быть время счета, сравнимое со временем реального протекания описываемых процессов, и практически такая же возможность вычленить из получившегося результата основные приведшие к нему закономерности, какая существует и при непосредственном наблюдении природного феномена. Такая ситуация вряд ли могла бы устроить физиков, для которых в проблеме климата самым интересным является взаимодействие известных природных процессов между собой, а также следствия, к которым может привести это, чаще всего, нелинейное взаимодействие. Для решения такого типа задач глобальная точность описания не является обязательным условием, напротив, она может оказаться помехой.

Необходимость проведения аккуратных расчетов в обосновании не нуждается, и этот путь исследования климатических процессов, несомненно, и дальше будет развиваться. Но к проблеме климата можно подойти и с другой стороны. Именно, при изучении различных физических процессов, вносящих вклад в формирование климата, важно знать те болевые точки, в которых могли бы произойти резкие изменения климатических характеристик, до определенного времени себя не проявляющие. В ряде случаев будет достаточно получить ответ типа «да — нет», то есть требования к точности расчета могут быть значительно снижены.

Физика все чаще обращается к нелинейным задачам, что находится в русле поиска наиболее общих закономерностей, управляющих эволюцией. В настоящее время общепризнано, что климатическая система в высокой степени нелинейна и поэтому может, в принципе, демонстрировать особенности катастрофического характера. Понятно, что большие модели мало приспособлены для нахождения качественных особенностей такого рода. В то же время исследование вопроса о возможности глобальных катастроф уже начинает переходить из области научных дискуссий в сугубо практическую плоскость. На этом фоне естественным является обращение к простым моделям и их исследование с помощью математического аппарата динамических систем.

Тенденция поиска качественных закономерностей в сложных климатических задачах давно существует в литературе. Наиболее активно она проявляет себя при рассмотрении общей циркуляции атмосферы. В радиационных и фотохимических блоках климатических моделей такого рода исследования менее распространены, чем те, которые основаны на стремлении как можно более тщательно и скурпулезно учесть все факторы, имеющие отношение к данной физической задаче.

Фундаментальной научной проблемой, в рамках которой выполнена настоящая работа, является проблема возможного изменения радиационного баланса Земли в результате антропогенных либо естественных воздействий на газовый состав атмосферы. В данной работе рассматривается задача о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик и в конечном счете на высотное поведение температуры. Для ее решения необходимы три больших вычислительных блокаблок line-by-line расчетов коэффициентов поглощения с учетом особенностей поглощения крыльями линий в ИК диапазоне, блок, дозволяющий быстрые расчеты радиационных характеристик и, наконец, блок, предназначенный для проведения предварительных исследований с целью нахождения областей параметров, в которых могут ожидаться качественные особенности поведения радиационных характеристик, в частности, температуры.

Целью работы является создание комплекса моделей, предназначенных для исследования влияния вариаций концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик, основанного на теоретически обоснованных методах расчета молекулярного поглощения, и включающего малоразмерные модели, позволяющие качественно и количественно описывать следствия изменения концентраций.

Актуальность работы обусловлена общим развитием климатических исследований, требующим совершенствования отдельных звеньев радиационного блока, а также усилением тенденции поиска качественных закономерностей в сложных климатических задачах, в том числе критических точек, в которых малые воздействия могли бы привести глобальным изменениям. Поэтому естественным является обращение к простым базовым моделям и их исследование с помощью математического аппарата динамических систем. Задачи, рассматриваемые в настоящей работе, объединены не только проблематикой, относящейся к радиационным блокам климатических моделей, но и подходом, нацеленным в каждом случае на поиск некоторой малоразмерной модели, наиболее адекватно отражающей физику процесса.

В работе решались следующие задачи:

1. Количественное исследование поведения контура спектральных линий в крыльях линий и полос атмосферных газов на основе теории крыльев линий.

2. Разработка методов и алгоритмов расчета коэффициента поглощения в крыльях полос в зависимости от частоты, температуры и типа уширяющего газа с точностью эксперимента.

3. Разработка методов расчета радиационных характеристик с помощью рядов экспонент.

4. Качественный анализ системы реакций чисто кислородной атмосферы и выделение ее малоразмерного эквивалента.

5. Построение радиационной модели, допускающей качественный анализ высотного хода температура при вариациях характеристик газовой смеси.

Известно, что радиационный баланс Земли во многом зависит от поглощения в окнах прозрачности атмосферы. В ИК области спектра это, прежде всего, окно прозрачности 8−12 мкм, где поглощение обусловлено крыльями линий вращательной полосы водяного пара, а также крыльями 15 мкм и 4.3 мкм полос углекислого газа. Известно также, что контур линии в ее крыле существенно отличен от лорентцевского. В то же время эталонные расчеты радиационных потоков в большинстве случаев используют обрезанный лорентцевский контур, не уделяя должного внимания сравнению таким образом рассчитанного поглощения с экспериментом.

Теория крыльев спектральных линий, описывающая поглощение в крыльях линий и полос, разрабатываемая в ИОА в течение ряда лет, дала первое теоретическое описание поглощения в крыльях спектральных линий в ИК диапазоне. Она по сей день остается наиболее последовательной, более проста в применении и по точности и широте охвата материала превосходит имеющиеся в литературе варианты. Теория крыльев спектральных линий начинает с решения полной квантовой задачи о взаимодействии света с веществом, применяя далее параметризацию квантовой задачи взаимодействия двух — поглощающей свет и уширяющей — молекул. Параметры в выражении для контура линии оказываются связанными лишь с потенциалом межмолекулярного взаимодействия и находятся При минимизации отклонений рассчитанных значений коэффициента поглощения от экспериментальных. Наиболее близкий по идейному содержанию из имеющихся в литературе подход — квазистатистическая теория — при упрощении полной квантовой задачи игнорирует классическую задачу движения центров масс молекул и подробно рассматривает квантовую. Однако, как показывают многочисленные сопоставления с экспериментом, именно классическая часть задачи играет определяющую роль в спектральном и температурном поведении коэффициента поглощения в крыльях линий. В настоящее время имеющиеся наборы параметров контура обеспечивают описание экспериментальных данных по коэффициенту поглощения в ИК области спектра в крыльях полос СОг, НгО, СО в зависимости от частоты, температуры и типа уширяющего газа с точностью эксперимента. Полученные количественные данные о контуре приводят к следующим общим выводам: спектральное поведение коэффициента поглощения в крыльях линий и полос определяется видом отталкивательной ветви потенциала межмолекулярного взаимодействия, температурная зависимость коэффициента поглощения в большой степени есть следствие температурной зависимости классического потенциала межмолекулярного взаимодействия, форма квантового потенциала существенно меняется от полосы к полосе, особенно если различны начальные состояния соответствующих колебательных переходов.

Успех теории крыльев линий в описании поглощения обусловлен, с одной стороны, глубоким теоретическим уровнем анализа физической задачи и с другой — выделением основных физических закономерностей, позволившем найти эффективную малопараметрическую модель описания процесса поглощения в крыле линии.

Известно, что line-by-line расчеты требуют большого количества времени, что является серьезной проблемой для радиационных блоков климатических моделей поэтому способы ускорения расчета постоянно обсуждаются в литературе. Наряду с моделями полос, наиболее распространенным для расчета радиационных величин является применение рядов экспонент или метод к — распределения. Как правило, способы нахождения коэффициентов таких разложений сводятся к различным методам минимизации разности между эталонной и рассчитанной с помощью искомого разложения функцией пропускания, что сводит задачу к чисто вычислительной процедуре и не оставляет места для упрощений, следующих из математически точных соотношений. В ИОА была предложена версия А:-распределения, основанная на теории рядов Дирихле, которая позволила получить точные теоретические выражения для коэффициентов разложения исследуемых функций в ряды экспонент в случаях неоднородных трасс, перекрывающихся спектров, интегралов с функцией источника й радиационных потоков, причем в последнем случае разложению подлежат уравнения переноса, полученные непосредственно для интегральных по спектру величин. Наличие точных формул существенно ускоряет расчеты, так как значительно сокращает число членов разложения без потери точности и не требует громоздких процедур минимизации. Для радиационных блоков климатических моделей чрезвычайно полезными оказались однопараметрические аппроксимационные формулы для функций пропускания, полученные Chou с соавторами с помощью рядов экспонент для основных поглощающих газов в атмосфере в ИК диапазоне. Нами предложена процедура получения однопараметрических аппроксимационных формул для быстрого расчета радиационных потоков в ИК диапазоне, подобных формулам Chou, позволяющая устранить некоторые присущие им ограничения и принять во внимание особенности поглощения атмосферными газами, обусловленные формой спектральных линий в далеких крыльях.

Успешная реализация предложенной версии к — распределения обязана своим появлением глубокому теоретическому анализу математической проблемы разложений функций в ряды экспонент, явившемуся основой для получения малопараметрических выражений для радиационных величин.

Когда имеется контур спектральной линии и быстрый способ расчета функций пропускания, задача о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик сводится к расчету радиационных потоков в рамках радиационных моделей и выяснению их зависимостей от вариаций концентраций. Более всего в последнее время привлекают внимание изменения концентраций углекислого газа благодаря его роли в формировании парникового эффекта и озона — из-за обнаружения в атмосфере областей с дефицитом озона. Как уже упоминалось выше, традиционный подход предполагает как можно более точные расчеты со стандартными и с измененными концентрациями и их сравнение с последующими сугубо конкретными выводами, относящимися к исследуемому случаю. Однако, для нахождения качественных особенностей поведения радиационных величин — типа катастрофического роста или падения температур в будущем — такой однократный расчет явно недостаточен. Даже если будет проведено много таких расчетов с различными вариациями концентраций, останется вероятность того, что останется неисследованной именно та область изменения концентраций, которая могла бы дать начало качественным изменениям. Поэтому необходимо построение таких моделей (назовем их малоразмерными), которые учитывали бы основные закономерности задачи, но в то же время были доступны для проведения качественного анализа. В дальнейшем области изменений параметров, могущие привести к качественным изменениям, должны исследоваться в рамках больших моделей. Применительно к нашей задаче о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик необходима радиационная модель, дающая высотный ход температуры и допускающая проведение простейшего нелинейного анализа. Прежде всего нужно рассмотреть влияние самых распространенных малых газовых составляющих — водяного пара, углекислого газа и озона. Из них наиболее подвержен резким изменениям озон, количество которого в атмосфере регулируется фотохимическими реакциями. Поэтому необходимым этапом является ответ на вопрос, не может ли быть источником качественных изменений сама фотохимия озона.

В химии атмосферы до сих пор доминирует прямое использование сложных (многомерных) математических моделей. Относительная роль различных реакций и соединений в возможном уменьшении общего количества озона выясняется, как правило, путем численного решения систем уравнений химической кинетики. Даже при таком подходе удалось выяснить, что в определенных условиях достаточно сложные фотохимические системы обнаруживают тенденцию совершать резкий переход из одного состояния в другое, причем концентрации участвующих веществ в этих состояниях могут отличаться на порядки. Появляются и работы по качественному анализу в применении к химическим системам, в том числе и по качественному исследованию реакций с участием озона, которые идеологически наиболее близки к нашему подходу. Оказалось, однако, что даже простейший озонный цикл, сформулированный Чепменом, не исследован полностью с точки зрения нелинейного анализа. Поэтому всегда остается вопрос, насколько черты нелинейного поведения присущи озонному циклу, то есть известному набору реакций в чисто кислородной атмосфере, как таковому, либо они привносятся в проблему дополнительными химическими соединениями. Мы провели полную классификацию состояний системы реакций в кислородной атмосфере. Отметим следующие особенности, присущие системе реакций между кислородными составляющими. С одной стороны, она является в высокой степени нелинейной, обнаруживая характерные для такой системы черты, как наличие множественных стационарных состояний и изменение их числа и характера устойчивости при изменении параметра системы. С другой стороны, эти черты, совершенно явные для определенных наборов реакций из рассматриваемого списка, как бы замываются при принятии во внимание всех возможных реакций. Особую роль в подавлении нелинейных эффектов играет реакция рекомбинации атомарного кислорода, которая поэтому должна содержаться в базисной фотохимической модели. Итогом же является вывод, что стационарное состояние фотохимической системы, включающей реакцию рекомбинации атомарного кислорода, является устойчивым. Упомянутая реакция практически всегда присутствует в атмосфере. Поэтому при исследовании высотного хода температуры можно ограничиться простым уменьшением или увеличением концентрации озона, как и для других газовых составляющих.

Радиационно-конвективные модели, в рамках которых обычно производится исследование высотного хода температуры, не дают возможности применить к анализу их устойчивости методы нелинейного анализа. Нами предложена радиационная модель, которую также можно назвать малоразмерной, и которая описывается автономными дифференциальными уравнениями с полиномиальными правыми частями для температур слоев. Стационарные состояния такой системы (в качестве стационарного состояния выступает высотный профиль температуры) и характеристики их устойчивости можно уже исследовать с помощью стандартных методов. Тестовые расчеты показывают, что применяемая модель, в основном, правильно отражает известные особенности радиационного режима, обусловленные характеристиками поглощающей среды. Обращение к исследованию устойчивости высотного хода температуры при вариациях параметров модели показало, что исследованные вариации концентраций водяного пара, углекислого газа и озона в 2−3 раза не приводят к нарушению устойчивости стационарного состоянияоно остается устойчивым узлом. Изменение концентраций сказывается на степени устойчивости, меняя времена релаксации к стационарному состоянию, причем эти изменения увеличиваются с ростом высоты. Модель позволяет оценить времена релаксации к стационарному состоянию, исходя из непосредственного решения дифференциальных уравнений для температур атмосферных слоев. Нарушение устойчивости стационарного хода температуры с высотой возможно, в принципе, при введении в уравнения температурной зависимости поглощения и конвекции, так как приводит к появлению в уравнениях членов с другим типом нелинейности. К таким же последствиям приводит и учет температурной зависимости альбедо.

Соответственно упомянутым предметным разделам работа содержит четыре главы, а также введение и заключение.

Список литературы

прилагается к каждой главе отдельно.

Первая глава посвящена изложению основных элементов теории крыльев линий и ее многочисленным применениям в расчетах коэффициентов поглощения в крыльях линий и полос в ИК спектрах атмосферных газов.

В п. 1.1 дается краткое описание структуры и места теории крыльев линий среди других теоретических подходов.

В п. 1.2 приведен краткий обзор экспериментальных данных по поглощению в крыльях для различных газовых смесей и спектральных интервалов.

Теоретические основы, приводящие к аналитическому выражению для контура линии в крыле, представлены в п. 1.3.

Извлечение потенциала межмолекулярного взаимодействия из экспериментальных данных по поглощению в крыльях линий описано в п. 1.4.

Спектральная и температурная зависимость коэффициентов поглощения в крыльях линий для СОг и НгО рассмотрена в п. 1.5 и 1.6, соответственно. В частности, внимание уделено роли температурной зависимости классического потенциала межмолекулярного взаимодействия и возможности извлечения этого потенциала их спектроскопических данных по поглощению в крыльях линий.

В п. 1.7 изложена методика расчета поглощения в спектрах атмосферных газов, основанная на учете различного спектрального и температурного поведения поглощения в центре линии и в ее крыле.

Во второй главе обсуждается представление функций пропускания и других радиационных величин с помощью рядов экспонент.

В п. 2.1 приведены стандартные выражения для радиационных потоков в случае плоской стратифицированной атмосферы, которые будут необходимы в дальнейшем изложении.

В п. 2.2 обсуждается вывод точной формулы для функции g{s), обычно называемой функцией распределения коэффициента поглощения, в случае однородных сред. Описаны два варианта получения действительных рядов экспонент — через функцию распределения коэффициентов поглощения и через плотность функции распределения коэффициентов поглощения. Приведены аргументы в пользу первого варианта.

В п. 2.3 представлен вывод формулы для разложения функции пропускания в случае неоднородных сред. Именно наличие точных формул для коэффициентов разложения в рядах экспонент предоставляет возможность избежать требования корреляции спектров для различных атмосферных слоев, с одной стороны, и высказать соображения о причинах его эффективности в атмосферных расчетах.

В п. 2.4 обсуждается способ расчета интегралов с функцией источника, которые являются необходимой составной частью в применении рядов экспонент к рассмотрению уравнения переноса в п. 2.5.

В п. 2.6 описано получение однопараметрических аппроксимационных формул для функций пропускания, подобных формулам Chou.

В третьей главе системы реакций в кислородной и в кислородо-водородной атмосфере проанализированы с точки зрения обнаружения качественных особенностей, которые, в принципе, могли бы привести к катастрофическим изменениям концентраций. В п. 3.1 кратко проанализировано современное состояние в области использования методов нелинейной динамики для анализа реалистичных и модельных задач химической кинетики атмосферных газов.

Полный качественный анализ системы уравнений Чепмена для кислородной атмосферы представлен в п. 3.2, когда объектом изучения являлась система кинетических уравнений для трех кислородных составляющих.

В п. 3.3 уравнения простой модели кислородно-водородной атмосферы. Результаты ее качественного анализа используются для обнаружения дополнительных сценариев поведения в реалистичной задаче химии мезосферы.

Четвертая глава объединяет предыдущие результаты в применении к задаче влияния вариаций газового состава атмосферы на радиационный баланс атмосферы.

В п. 4.1 представлен краткий обзор результатов, которые могут быть получены в частной, но важной климатической проблеме взаимосвязи радиации и температуры, используя лишь начальные сведения из качественной теории дифференциальных уравнений, касающиеся числа и характера стационарных состояний. Дальнейшее изложение посвящено малоразмерным моделям, связанным с изучением высотного хода температуры. Сначала мы останавливаемся на одномерных однослойных, двухслойных и четырехслойных моделях, как дающих прообраз высотного хода (п. 4.2). В п. 4.3 мы представляем предложенную нами простую радиационную модель, которая допускает применение качественных исследований для анализа высотного хода температуры, и некоторые полученные результаты. Наконец, в п. 4.4 мы рассматриваем вариации газового состава атмосферы и их влияние на качественные особенности температурного профиля.

Таким образом, для решения задачи о влиянии концентраций малых газовых составляющих атмосферы на поведение ее радиационных характеристик созданы теоретически обоснованные методы расчета, сформулированы и исследованы малоразмерные модели, позволяющие качественно и количественно описывать следствия изменения концентраций.

На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Основные закономерности спектрального и температурного поведения поглощения в крыльях линий и полос колебательно-вращательных спектров молекул определяются статистическим усреднением с классическим потенциалом межмолекулярного взаимодействия. Квантовый потенциал межмолекулярного взаимодействия ответственен за детали спектрального поведения контура линии на различных расстояниях от центра линии. Спектроскопические данные по поглощению в крыльях являются основой для решения обратной задачи извлечения потенциала межмолекулярного взаимодействия.

2. Использование точных формул для коэффициентов разложения в ряды экспонент радиационных величин, в случаях однородных и неоднородных сред, интегралов с функцией источника и непосредственно радиационных потоков позволяет достичь точности порядка 2 процентов при использовании 5−7 точек в рассматриваемом спектральном интервале без применения процедур минимизации.

3. Основную роль в превращении нелинейной системы реакций чисто кислородной атмосферы в целом в систему с единственным стационарным состоянием играет реакция рекомбинации атомов кислорода. Простейшим блоком, отражающим характерные черты кислородной системы в целом, является блок из пяти реакций — двух реакции фотодиссоциации, реакции образования озона в трехчастичном столкновении, реакции разрушения озона в столкновении с атомарным кислородом и реакции рекомбинации атомов кислорода.

4. Наблюдающиеся в последние десятилетия тренды температуры в стратосфере и мезосфере в основном имеют радиационную природу и являются следствием изменения в атмосфере концентраций углекислого газа и озона.

5. Вариации концентраций поглощающих веществ в 2−3 раза от имеющихся не меняют характера стационарного состояния, которое остается устойчивым узлом, но меняют времена релаксации к стационарному состоянию, причем эти изменения увеличиваются с ростом высоты.

Введение

явной альбедо-температурной связи может приводить к появлению дополнительного устойчивого профиля температуры с более низкой температурой, чем нынешний.

Достоверность результатов подтверждается строгостью и непротиворечивостью основных положений теории крыльев линий и их согласованием с современными представлениями о взаимодействии света с веществомпрямым сопоставлением расчетных данных с данными физических экспериментовобоснованностью физических предпосылок при формулировании математических моделей фотохимии кислородной атмосферы и радиационного баланса и сравнением выводов с результатами других методов исследований.

По материалам работы опубликована 2 монографии в соавторстве, 3 статьи в тематических сборниках издательства «Наука», 40 статей в рецензируемых журналах, 10 статей в сборниках SPIE и более 20 в трудах других конференций. 13 статей в рецензируемых журналах не относятся напрямую к тематике работы.

По теме работы выполнено четыре гранта РФФИ (93−05−9026, 96−05−66 201, 97−565 985, 00−05−65 209), в двух последних автор был руководителем .

Работа выполнялась в Институте оптики атмосферы СО РАН в период с 1980 по 2002 год.

Большинство работ выполнено в соавторстве с С. Д. Твороговым и Л. И. Несмеловой. В работах по поглощению крыльями спектральных линий и по применению рядов экспонент основные теоретические исследования проведены С. Д. Твороговым. Роль автора в этих работах состоит в разработке алгоритмов, проведении расчетов, обсуждении результатов и определении последующих этапов работы.

В работах по качественному анализу системы реакций в кислородной и кислородо-водородной атмосфере участие автора было существенным в постановке задачи и ее теоретической и численной реализации.

В работах, посвященных климатическим моделям, автору принадлежит формулировка проблемы и в большой степени ее теоретическая и численная реализация.

Основные результаты.

В процессе работы были проведены многочисленные количественные исследования коэффициента поглощения в крыльях линий и полос атмосферных газов на основе теории крыльев линий. Результаты расчетов имеют как общетеоретическое, так и прикладное значение.

Анализ результатов расчетов позволил выявить следующие общие закономерности в описании поглощения в крыльях спектральных линий в ИК диапазоне:

О выражение для контура спектральной линии в крыле содержит две группы параметров: параметры классического потенциала межмолекулярного взаимодействия, который обычно берется в виде потенциала Леннарда-Джонса (е, ст) и параметры а, Са, Ва квантового потенциала межмолекулярного потенциальной кривой, а Ва представляет собой сложную комбинацию матричных элементов дипольного момента и операторов Меллера- (и) частотам в далеком крыле спектральной линии отвечает отталкивательная ветвь классического потенциала межмолекулярного взаимодействия- (ш) спектральная и температурная зависимости коэффициента поглощения в основном определяются статистическим усреднением с классическим потенциалом межмолекулярного взаимодействия- (?V) параметры классического потенциала межмолекулярного взаимодействия, взятого в виде потенциала Леннарда-Джонса, линейно меняются с температурой- (у) квантовый потенциал межмолекулярного взаимодействия может быть разбит на части («мультиполи»), в каждой из которых он аппроксимируется одночленами Са / Яа с обратной зависимостью от расстояния между центрами масс взаимодействующих молекул, причем каждая из частей ответственна за спектральное поведение коэффициента поглощения в определенном диапазоне частот по мере удаления от центра линиивзаимодействия причем а, Са определяют форму vi) имеющиеся экспериментальные данные по поглощению в микроокнах и в крыле полосы 4.3 мкм СС>2 при различных температурах могут быть описаны с помощью единого контура линии, состоящего из нескольких «мультиполей» — vii) параметры квантового потенциала межмолекулярного взаимодействия меняются от полосы к полосе, причем полосам, соответствующим переходам с одинаковыми начальными состояниями, отвечают одинаковые параметры а, Саviii) спектроскопические данные по поглощению в крыльях могут быть использованы для решения обратной задачи извлечения классического потенциала межмолекулярного взаимодействияix) молекулярное поглощение водяным паром в ближней ИК области спектра недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое в безоблачной атмосфере избыточное поглощение.

На основе экспериментальных данных по поглощению в рамках теории крыльев линий получена количественная информация о контуре спектральных линий, обеспечивающая описание экспериментальных данных по коэффициенту поглощения в крыльях полос в зависимости от частоты, температуры и типа уширяющего газа с точностью эксперимента: i) для полос 1.4, 2.7, 4.3 и 15 мкм СОг и для интервалов 8−25 мкм и 3−5 мкм водяного пара получены параметры контура, хорошо описывающие имеющиеся экспериментальные данные по поглощению и позволяющие проводить с помощью банка спектроскопической информации HITRAN массовые line-by-line расчеты коэффициентов поглощенияii) предложена методика расчета функций пропускания, учитывающая специфику поведения контура линии в центре и в крыле и позволяющая поэтому вклады от крыльев и от центральных частей линии в line-by-line расчете считать раздельноуменьшение времени счета достигается из-за увеличения шага по частоте в крыльевом вкладе благодаря гладкости его поведенияiii) характерные температурные зависимости коэффициента поглощения в крыльях спектральных линий и полос могут быть использованы в задачах спектроскопического определения содержания атмосферных газов.

Изложенный выше материал позволяет высказать следующие соображения. Из всех теоретических подходов теория крыльев линий является наиболее готовой к практическим применениям. Причиной этого является, с одной стороны, то, что выражение для контура в крьгле оказывается ненамного более сложным для расчета, чем лоренцевский контур, отвечающий противоположной асимптотике. Это позволяет использовать его при исследовании радиационного режима различных планет. Область крыла полосы 15 мкм имеет большое значение для условий атмосферы Земли и Марса, область полосы 4.3 мкм важна для расчета радиационного режима Венеры.

С другой стороны, схема оказывается достаточно богатой по физическому содержанию, чтобы включать в себя разные экспериментальные ситуации. Главное заключается в том, что в ней, по-видимому, удалось выделить существенный физический фактор, определяющий поглощение в крыле. Так как про решающую роль учета ММВ в крыльях линий сейчас говорят практически все, подчеркнем, что, как нам кажется, наиболее важен его учет при построении матрицы плотности. Разумеется, теория крыльев линий, как и другие подходы, имеет свои аспекты, требующие дальнейших исследований. Существование различных концепций одного физического явления свидетельствует о его сложности, и границы их применимости уже начинают проясняться.