Рис. 6. Зависимости констант скоростей [см3с-1] для столкновительных вращательных переходов в 12C16O2 от номера при фиксированном : а) = 1, б) = 7, в) = 13, г) = 59 для температуры 100 К
Разные типы линий соответствуют разным моделям: KHM, MEG и ECS-P.
Рис. 7. Зависимости констант скоростей [см3с-1] для столкновительных вращательных переходов в 12C16O2 от номера при фиксированном : а) = 1, б) = 7, в) = 13, г) = 59 для температуры 200 К
Разные типы линий соответствуют разным моделям: KHM, MEG и ECS-P.
Рис. 8. Зависимости констант скоростей [см3с-1] для столкновительных вращательных переходов в 12C16O2 от номера при фиксированном : а) = 1, б) = 13, в) = 19, г) = 59, д) = 119 для температуры 100 К
Разные типы линий соответствуют разным моделям: KHM, MEG и ECS-P.
Рис. 9. Зависимости констант скоростей [см3с-1] для столкновительных вращательных переходов в 12C16O2 от номера при фиксированном : а) = 1, б) = 13, в) = 19, г) = 59 д) = 119 для температуры 200 К
Разные типы линий соответствуют разным моделям: KHM, MEG и ECS-P.
3.2 Результаты и их обсуждение
1) Сравнение констант скоростей (КС) R-Т процессов, рассчитанных с помощью моделей MEG и ECS-P, с константами скоростей по модели KHM, использованными в расчётах населённости молекулярных состояний, показало, что первые существенно отличаются от вторых.
Величины КС в моделях MEG и ECS-P, соответствующие переходам из вращательных состояний с числом в некоторой окрестности = 0, в основном существенно превосходят величины КС в модели KHM: для ECS-P вплоть до множителя ~ 2, а для MEG вплоть до различия на порядок величины. И наоборот, величины КС в модели KHM, соответствующие переходам с Д = 2, 4 и 6 из вращательных состояний с большим числом , существенно (вплоть до порядка величины) превышают соответствующие величины для MEG и ECS-P. Зависимость становится противоположной начиная с . Кроме того, КС для KHM на рисунках Рис. 8 б-в и Рис. 9 б-в демонстрируют для в окрестности = 0 физически необъяснимую особенность: рост величин КС с увеличением Д. Такая особенность отсутствует в величинах КС для моделей MEG и ECS-P. Это обстоятельство указывает на некоторую искусственность модели KHM и может быть одной из причин того, почему в работе [4] не воспроизводилать волнообразная структура формы спектра лимбовой интенсивности излучения (см. последний абзац п.1.3).
2) Сравнение между собой констант скоростей R-Т процессов, полученных по моделям MEG и ECS-P.
Величины КС в моделях ECS-P и MEG обнаруживают различную зависимость от Д для переходов из начальных состояний с малыми и большими числами : для малых значения КС в ECS-P быстрее уменьшаются с Д, чем в MEG, а для больших - наоборот. При этом зависимость становится противоположной начиная с .
3) Следствия для оценки неравновесных населённостей молекулярных состояний.
Следует ожидать, что на высотах в атмосферах Марса, где нарушается ЛТР по вращательным состояниям молекулы CO2, использование для расчёта КС из моделей MEG и ECS-P может существенно повлиять на оценки как вращательных, так и колебательных населённостей состояний этой молекулы. При использовании КС MEG и ECS-P вклад R-Т процессов для больших в колебательную населённость уменьшится, а при малых увеличится.
Заключение
Данную работу можно рассматривать как важный этап в исследованиях проблемы учёта вращательного не-ЛТР при моделировании переноса излучения в полосах молекул CO2 в верхней атмосфере Марса.
Были получены следующие основные результаты.
Проведён анализ предыдущих и современных исследований по проблеме учёта не-ЛТР (колебательного и вращательного) в моделях ПИ в атмосфере Марса. Сделан вывод об особой важности адекватного моделирования вращательной структуры констант скоростей R-T процессов.
Проведён сбор сведений об имеющихся в научной литературе трёх моделях для констант скоростей и выполнена их программная реализация.
Проведены серии расчётов величин для температур, характерных для верхней атмосферы Марса, и выполнен анализ чувствительности этих величин от различных входных и внутренних параметров.
Проведено сравнение величин для трёх моделей и выполнен анализ с точки зрения их пригодности для задачи ПИ в полосах молекулы CO2 в атмосфере Марса при учёте вращательного не-ЛТР (наряду с колебательным не-ЛТР). Сделаны выводы о наличии физической противоречивости в модели KHM, ранее уже использовавшейся для решения этой задачи.
Список литературы
1. Formisano, V., Angrilli, F., Arnold, G., Atreya, S., Bianchini, G., Biondi, D., Blanco, A., Blecka, M. I., Coradini, A., Colangeli, L., Ekonomov, A., Esposito, F., Fonti, S., Giuranna, M., Grassi, D., Gnedykh, V., Grigoriev, A., Hansen, G., Hirsh, H., Khatuntsev, I., Kiselev, A., Ignatiev, N., Jurewicz, A., Lellouch, E., Lopez Moreno, J., Marten, A., Mattana, A., Maturilli, A., Mencarelli, E., Michalska, M., Moroz, V., Moshkin, B., Nespoli, F., Nikolsky, Y., Orfei, R., Orleanski, P., Orofino, V., Palomba, E., Patsaev, D., Piccioni, G., Rataj, M., Rodrigo, R., Rodriguez, J., Rossi, M., Saggin, B., Titov, D., and Zasova, L.: The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) onboard the European Mars Express mission, Planet. Space Sci., 53, 963-974, doi:10.1016/j.pss.2004.12.006, 2005.
2. Lуpez-Valverde, M.A., Lуpez-Puertas, M., Funke, B., Gilli, G., Garcia Comas, M., Drossart, P., Piccioni, G., and Formisano, V.: Modeling the atmospheric limb emission of CO 2 at 4.3 мm in the terrestrial planets, Planet. Space Sci., 59, 988-998, doi:10.1016/j.pss.2010.02.001, 2011.
3. Lуpez-Valverde, M.A., Sonnabend, G., Sornig, M., and Kroetz, P.: Modelling the atmospheric CO2 10-мm non-thermal emission in Mars and Venus at high spectral resolution, Planet. Space Sci., 59, 99-1009, doi:10.1016/j.pss.2010.11.011, 2011.
4. Kutepov A.A., L. Rezac, and A.G. Feofilov, "Evidence of a significant rotational non-LTE effect in the CO2 4.3 um PFS-MEX limb spectra", Atmos. Meas. Techn. 10, 265-271, doi: 10.5194/amt-2016-188, (2017).
5. Швед Г.М. Перенос излучения в колебательно-вращательных полосах линейных молекул при нарушении локального термодинамического равновесия. Астрономический Журнал, 51, № 4, с. 841, 1974.
6. Kutepov, A.A., Hummer, D.G., and Moore, C.B.: Rotational relaxation of the 0001 level of CO2 including radiative transfer in the 4.3µm 5 band of planetary atmospheres, J. Quant. Spectrosc. Rad. Transfer, 34, 101-114, 1985.
7. Ogibalov, V.P., Kutepov, A.A. Radiative transfer in the CO2 л 4.3-µm band in the Atmospheres of Venus and Mars with violation of vibrational and rotational LTE (1989) Kinematika Fiz. Nebesnykh Tel, 5 (4), pp. 27-37.
8. Огибалов В.П., Кутепов А.А. Перенос излучения в полосе С02 А 4.3 мкм в атмосферах Венеры и Марса при нарушении колебательного и вращательного ЛТР// Кинемат. и физика небесн. тел. 1989. Т. 5. № 4. С. 27-37.
9. Степанова Г.И., Швед Г.М. Перенос излучения в полосах 4,3 мкм CO2 и 4,7мкм СО в атмосферах Венеры и Марса при нарушении ЛТР. Населённости колебательных состояний// Астрономич. журн. 1985. Т. 62, Вып. 4. С. 719-730.
10. A.A. Kutepov, O.A. Gusev, V.P. Ogibalov Solution of the non-LTE problem for molecular gas in planetary atmospheres: superiority of accelerated lambda iteration// J. Quant. Spectrosc. Rad. Transfer V. 60, I. 2, P. 199-220, 1998.
11. Огибалов, В.П., Швед, Г.М. Усовершенствованная модель переноса излучения при нарушении ЛТР в БИК-полосах молекул СО2 и СО в дневной атмосфере Марса. 1. Исходные данные и метод расчёта. // Астрон. вестн., 50(5), 336-348, 2016.
12. Швед, Г.М., Огибалов, В.П. Усовершенствованная модель переноса излучения при нарушении ЛТР в БИК-полосах молекул СО2 и СО в дневной атмосфере Марса. 2. Населённость колебательных состояний молекул. // Астрон. вестн., 51(5), 404-416, 2017.
13. Lavorel B., Millot G., Saint-Loup R., Berger H., Bonamy L., Bonamy J., Robert D. Study of collisional effects on band shapes of the н1/2н2 Fermi dyad in CO2 gas with simulated Raman spectroscopy. I. Rotational and vibrational relaxation in the 2н2 band // J. Chem. Phys. 1990. V. 93. No. 4. P. 2176-2184.