Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634932)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Оптика атмосферы и океана

Оптика атмосферы и океана №11 2008 (154,00 руб.)

0   0
Страниц95
ID200481
АннотацияЖурнал посвящен проблемам атмосферной оптики, включая спектроскопию, турбулентность, нелинейные явления в атмосфере и океане. Кроме того, к основным направлениям журнала относятся дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности с космических, наземных, судовых и самолетных станций; исследования, связанные с климатом и экологией, а также созданием, испытанием и применением приборов и методов для таких исследований, включая обработку получаемой информации (обратные задачи, передача изображений, адаптивная оптика, лазеры, лидары.
Оптика атмосферы и океана : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2008 .— №11 .— 95 с. — URL: https://rucont.ru/efd/200481 (дата обращения: 29.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

«Оптика атмосферы и океана», 21, № 11 (2008) СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УДК 535.33.34 Расчет функций пропускания при малых давлениях <...> Академика Зуева, 1 Поступила в редакцию 5.08.2008 г. Получены аналитические выражения для коэффициентов ряда экспонент s(g) в случае одной линии с лорентцевским, доплеровским и фойгтовским контурами. <...> Предложен способ оценки функции поглощения при малых давлениях, основанный на асимптотической оценке представляющего ее интеграла, записанного с помощью ряда экспонент для одной линии и для произвольного числа линий. <...> Очевидным образом получается, что вычислительные усилия становятся тем больше, чем меньше коэффициент поглощения и, соответственно, меньше его вклад в функцию пропускания. <...> Расчет функций пропускания при малых давлениях 915 1017 Функция пропускания P() в интервале частот = имеет вид (), см2 мол. <...> Т = 296 К, лорентцевский контур до 10 см1, шаг = 0,001 см1; интервал 780800 см1 Здесь следует отметить, что в отличие от обычно применяемой для нахождения s(g) минимизации существуют точные формулы для коэффициентов разложения радиационных величин в ряды экспонент [3], выражающие их через коэффициенты поглощения, которые позволяют значительно упростить необходимые вычисления. <...> 2 представлена асимптотическая оценка для функции пропускания одной линии с использованием s(g), полученных в разд. <...> Асимптотическая оценка для функции пропускания одной линии Особенности поведения s(g) при высоких и малых давлениях можно было увидеть на рис. <...> Эта замена ориентирована на физику задачи, на малые давления в верхних слоях атмосферы, т.е. предполагает малость u. <...> Видно, что асимптотическая оценка, которая не зависит от точности расчета коэффициента поглощения, совпадает с расчетом line-by-line при средних давлениях и начинает отклоняться от него при малых давлениях и расстояниях. <...> Асимптотическая оценка для функции пропускания при произвольном числе линий в рассматриваемом интервале j j P (z) = b exp[zs (g )], j j j j zs j <...>
Оптика_атмосферы_и_океана_№11_2008.pdf
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 21, ¹ 11 (2008) СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УДК 535.33.34 Расчет функций пропускания при малых давлениях Ñ.Ä. Творогов , Î.Á. Родимова * Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1 Поступила в редакцию 5.08.2008 ã. Получены аналитические выражения для коэффициентов ряда экспонент s(g) в случае одной линии с лорентцевским, доплеровским и фойгтовским контурами. Предложен способ оценки функции поглощения при малых давлениях, основанный на асимптотической оценке представляющего ее интеграла, записанного с помощью ряда экспонент для одной линии и для произвольного числа линий. На численных примерах показано, что асимптотические оценки могут быть использованы в широкой области давлений и просты в применении. Приведены качественные оценки области их применимости. Показано наличие на кривой s(g) точек перегиба в точках, отвечающих максимумам линий, и отмечено их возможное влияние на точность расчета при малых давлениях. Ключевые слова: ряды экспонент, малые давления, асимптотические оценки пропускания. Введение Климатические модели предъявляют высокие требования к расчетам распространения излучения в атмосфере. Line-by-line-ðàñ÷åòû поглощения атмосферными газами с правильным контуром спектральных линий являются подходящими по точности, однако совершенно неприемлемы в радиационных блоках климатических моделей, так как требуют необозримого количества времени. Решение проблемы точного расчета оказалось возможным при использовании разложений радиационных величин в ряды экспонент. Этот прием, называемый также методом k-распределения, является сейчас наиболее распространенным при рассмотрении радиационных свойств атмосферы. Как правило, способы нахождения коэффициентов таких разложений сводятся к различным методам минимизации, т.е. к чисто вычислительной процедуре. Алгоритмы, использующие ряды экспонент в больших моделях, сталкиваются с некоторыми трудностями, когда необходимо производить расчеты при малых давлениях в высоких слоях атмосферы. Это связано с тем, что из-за специфического поведения упорядоченных коэффициентов поглощения при малых давлениях нужно учитывать большое число членов ряда экспонент для достижения необходимой точности. Наиболее рельефно эта проблема очерчена в работе Chou et al. [1]. Òàê, при вычислении функции пропускания для водяного пара было * Cтанислав Дмитриевич Творогов ; Ольга Борисовна Родимова (rod@iao.ru). показано, что вклад в скорость выхолаживания при давлениях меньше 1 мбар происходит от очень малой доли (< 0,005) спектра вблизи центров полос поглощения, где коэффициенты поглощения меняются на 4 порядка величины. Это требует по крайней мере 100 членов в k-распределении, чтобы точно вычислить скорость выхолаживания. В одной из наиболее разработанных моделей радиационного переноса [2] ИК-диапазон (10– 3000 ñì–1) делится на 16 ó÷àñòêîâ-ïîëîñ. Каждая спектральная полоса разделена, в свою очередь, на 16 интервалов в g пространстве. Из них 7 интервалов помещены между g = 0,98 и g = 1,0, что сделано для того, чтобы точно определить скорость выхолаживания в обстоятельствах, когда основной вклад вносят центры линий в полосе, иными словами, доля k-распределения, имеющая значения g около 1. Очевидным образом получается, что вычислительные усилия становятся тем больше, чем меньше коэффициент поглощения и, соответственно, меньше его вклад в функцию пропускания. Такое положение вызывает ощущение нерациональности происходящего, когда для расчета малых величин требуется больше времени, чем для больших. Типичный вид коэффициента поглощения показан на рис. 1 для части спектра СО2 при больших и малых давлениях. При малых давлениях, очевидно, поглощение определяется узкими участками спектра вблизи сильных линий. Это отражается и в различии поведения s(g) (ðèñ. 2) для того же участка спектра. С уменьшением давления (ñì. ðèñ. 1 и 2) кривые s(g) (оставаясь, естественно, монотонными) резко возрастают в окрестности g = 1, как и говорилось выше, и определяются «вершинами» наиболее сильных в рассматриваемом интервале линий. Расчет функций пропускания при малых давлениях 915
Стр.1
– 10–31 10–29 10–27 10–25 10–23 10–21 10–19 10 17 κ(ω), ñì2 ⋅ ìîë.–1 Функция пропускания P(ω) в интервале частот ∆ω = ω″ – ω″ имеет вид ′′ P=1013,17 мбар s Pz zsz − () 1 e P=0,001 мбар == ( ) ν 1 zs g 0 () 1 fs = π 2 780 785 790 795 ω, ñì–1 Ðèñ. 1. Коэффициент поглощения ÑÎ2. Т = 296 Ê, лорентцевский контур до 10 ñì–1, шаг = 0,001 ñì–1; интервал 780–800 ñì–1 102 1 2 10–2 10–4 P = 0,001 мбар 10–6 1 10–8 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 g Ðèñ. 2. Функция s(g) для CO2. Т = 296 Ê, лорентцевский контур до 10 ñì–1, шаг = 0,001 ñì–1; интервал 780–800 ñì–1 Здесь следует отметить, что в отличие от обычно применяемой для нахождения s(g) минимизации существуют точные формулы для коэффициентов разложения радиационных величин в ряды экспонент [3], выражающие их через коэффициенты поглощения, которые позволяют значительно упростить необходимые вычисления. Более того, развиваемый авторами [3] подход позволяет по-новому рассмотреть и проблемы, связанные с ситуацией малых давлений в средней и верхней атмосфере. В разд. 1 получены аналитические выражения для s(g) для лорентцевского, доплеровского и фойгтовского контуров в случае одной линии. В разд. 2 представлена асимптотическая оценка для функции пропускания одной линии с использованием s(g), полученных в разд. 1. В разд. 3 предлагаемый асимптотический прием обобщен на случай наличия в рассматриваемом интервале произвольного числа линий. 1. Значения s(g) для изолированной линии Приведем общие формулы для коэффициентов разложения радиационных величин в ряды экспонент, выражающие их через коэффициенты поглощения (ñì., íàïðèìåð, [3–5]). 916 s(g) P = 1013,17 мбар gsf s ds 0 () () ∆ω κω < ω∈ ω ω () ; , i dzP z +∞ ci ∫ ci −∞ sci == = π =ω=∫∫ (3)ddω − 11 ′′′ ss[] ∫∫ [] 2 κ ω> ω∈ ω ω,′ ′′ () ; где z – оптическая òîëùà; κ(ω) – спектральный коэффициент поглощения; f(s) – преобразование Лапласа P(z); g(s) – преобразование Лапласа функции P(z)/z; s(g) – ôóíêöèÿ, обратная g(s); s(g) есть упорядоченные по величине значения κ(ω) для [];ω∈ ∆ω bν, gν – ординаты и абсциссы соответствующей квадратурной формулы. Построение функции g(s) иллюстрирует ðèñ. 3. 1, ∆ω 1()Pz sz e ci −∞ iz dz +∞ ( )e ; sz (2) ∫dgee ; () −− ν ν ∑b zs g =ω= ω′ ∆ω∫∫ () ω∞ −κ ω d ds f s( ) e 0 = (1) Ðèñ. 3. Схема интегрирования для g(s). Для заданного s значение g представляет собой сумму интервалов, в которых κ(ω) < s Соотношение (3) позволяет получить аналитические выражения для s(g) одной линии в случае наиболее употребительных контуров – лорентцевского, доплеровского и фойгтовского. Рассмотрим несколько способов получения s(g). Один из них – использование в соотношении (3) определения g как суммы интервалов ÷àñòîò, в которых κ(ω) < s. Пусть имеем лорентцевский контур (рис. 4), Q, α, ω0 – интенсивность, столкновительная полуширина и центр спектральной ëèíèè; ∆ω = ω2 – ω1 – спектральный интервал, в котором рассматривается поглощение: κω Qα= π ω− ω + α 1 () Творогов Ñ.Ä. , Родимова Î.Á. () 0 22. (4)
Стр.2
и оценки затем получившегося контурного интеграла. Однако имеется еще более простой способ записи s(g), применимый для любого симметричного контура. Пусть s = ϕ(x) – четная функция безразмерной переменной x (рис. 5). Очевидно, величина промежутка [a, b] = 2x [x = ϕ–1(s) по определению обратной функции]. Рис. 4. К расчету s(g) для лорентцевского контура Для некоторого значения s коэффициента поглощения s Qα= π ω− ω + α 1 () 0 откуда ()0ω− ω = ± − απ Qα s 2 и 21.Q s ω− ω = α −πα ′′′ Доля интервала, в которой k > s: 2 gs () ω− ω α == − ′′′ ∆ω ∆ω π α ной линии с лорентцевским контуром 2 sg Q= πα  () 1(1 2 +−g)   α ∆ω I ω=  (7) π∆ω D  () s Q 1 exp  − ∆ω ω− ω0 D имеем аналогичным образом =− ∆ω π∆ωD D g 12 ln sg π∆ωD exp  ∆ω , Q  s π∆ωD ()=− (8)  Q −∆ω 2  ()2 1 g 4∆ωD 2  Выражение (6) может быть также получено непосредственно из формулы (3) с помощью определения g как интеграла от P(z)/z путем замены переменных ω− ω = α ϕ ω = 0 tg ,ddϕ cos ϕ α 2 . exp ω− ω , 0    2    =− ∆ω  D   1 2 Для доплеровской линии с полушириной ∆ω D 2 Рис. 5. К построению s(g) для произвольной четной функции ϕ(x) С другой ñòîðîíû, [a, b] = 1 – g [ïî определению (3)], откуда − Q 1. s (5) Отсюда точная формула для s(g) в случае од. (6) 1 − =ϕ g 2 1 () или s =ϕ s и перейти в нем к переменной x: 0 ω− ω = ax, Можно записать 0 g 2 a ff g () (1 ) , 2 ω− ω =   −∆ω   1 − g 2 . Если теперь рассмотреть контур линии f(ω – ω0) то () ( 1−∆ω= рассматриваемых частот. Тогда 0 f ω− ω = fax x( ). ) ≡ ϕ , где ∆ω – интервал sg f () =  (1 )   −∆ω 2 g , ω− 0ω на (1 ) 2 g (9) т.е. функция s(g) получается при замене в выражении для контура разности −∆ω . Как видно, выражения для лорентцевского и доплеровского контуров подтверждают это правило. Теперь может быть непосредственно записано выражение для s(g) в случае фойгтовского контура. Контур Фойгта имеет вид κ ω− ω =() 2 kT ay 0 ωπ π −∞ ∞ Qmc i = ()  22 ; βπ +ξ − Qa dy ay ln2 a   +ξ −    22dy = () a ∫ 1/2 αα == ωπ ∆ω0 2 kT   Расчет функций пропускания при малых давлениях  ∫ mc 2 1/2 e −∞ − 2 y () D () ln2 . 1/2 917 (10) e   2 1/2 ∞ − 2 y 22,
Стр.3