Универсальный и эффективный инструмент для расчета молекулярного поглощения в планетных атмосферах

Разработан программный пакет MARFA (Molecular atmospheric Absorption with Rapid and Flexible Analysis) для точных line-by-line расчетов объемных коэффициентов и сечений молекулярного поглощения для широкого диапазона атмосферных и спектроскопических параметров. Ключевой сценарий применения данного инструмента — расчеты переноса излучения в атмосферах планет земной группы, где наблюдается ощутимая нехватка надежных спектроскопических данных, включая, отсутствие информации о континуальном поглощении. В таких условиях зачастую необходимо учитывать вклады от далеких крыльев линий, что увеличивает вычислительные затраты. Кроме того, неопределенность спектроскопических и атмосферных параметров требует регулярных пересчетов характеристик поглощения для различных условий, чтобы повысить достоверность решений прямых и обратных задач. Предложенный инструмент предназначен для эффективных расчетов в подобных условиях. Выходные данные MARFA представлены в виде файлов прямого доступа с PT-таблицами (или 'look-up таблицами'), содержащими рассчитанные значения коэффициентов поглощения на различных атмосферных уровнях в высоком разрешении (≈ 5 ·〖10〗^(-4) см⁻¹). Формат выходных файлов оптимизирован для дальнейшей интеграции в модели переноса излучения для климатических моделей.
В основе расчетного кода лежит эффективный интерполяционный алгоритм (Fomin, 1995), с помощью которого выполняются вычисления контуров линий на девяти сетках разной мелкости. Применение данной техники позволяет быстро обрабатывать большие спектральные интервалы и большие условия обрезания линий, например 250 см⁻¹ и выше. Для расчетов коэффициента поглощения на одном уровне нижней атмосферы Венеры для диапазона 10-3000 см⁻¹ на персональном компьютере требуется всего 4 с машинного времени для условия обрезания линии в 25 см⁻¹ и 25 с для условия обрезания в 250 см⁻¹. В пакете программ также реализован эффективный алгоритм по оценки функции профиля Фойгта, а сам этот контур линии установлен по умолчанию.
Инструмент оснащен изолированным функционалом для расчетов контуров, интенсивностей и полуширин линий, а также коррекций на крылья (т.н. χ-факторы) для тестирования и быстрого начала работы. В то же время, методология разработки специально выбрана таким образом, чтобы пользователи могли беспрепятственно взаимодействовать с исходным кодом и добавлять собственные функции, следуя установленным правилам. Исходный код основан на модульной архитектуре языка Fortran и тщательно задокументирован, предоставляя инструкции по быстрому запуску, подробные описания форматов ввода-вывода и рекомендации по добавлению пользовательского функционала. В проекте используются интуитивно понятные имена переменных, современные соглашения о типизации и исчерпывающие комментарии для ясности кода. Для ознакомления и демонстрации возможностей разработано веб-приложение. Для более продвинутой работы и и научного использования инструмент MARFA доступен как проект с открытым исходным кодом в публичном репозитории.