Моделирование индуцированных спектров поглощения смеси СН4-CO2 методом классических траекторий

Поглощение излучения в областях дипольно-запрещенных переходов симметричных молекул может быть индуцировано в результате межмолекулярных взаимодействий. Так называемое столкновительно-индуцированное поглощение (СИП), имеющее почти континуальный характер, играет важную роль в условиях достаточно плотных планетных атмосфер. Парниковый эффект в атмосферах различного состава может определяться индуцированным поглощением в смесях симметричных молекул, роль которого аналогична ключевой роли континуального поглощения водяного пара в земной атмосфере. В ряде работ [1,2] показано, в частности, что континуальное поглощение CO2-H2 и CH4-CO2 в спектральном окне прозрачности углекислого газа (200-600 см-1) могло бы обеспечить парниковый эффект в палеоатмосфере Марса, достаточный для существования жидкой воды на его поверхности. Кроме того, эффект индуцированного поглощения СН4-N2 ярко проявляется в спектрах светимости атмосферы Титана, полученных аппаратом “Кассини-Гюйгенс” [3].

В настоящей работе приведены результаты расчетов СИП молекулярных пар CH4-CO2, полученные методом классических траекторий в широком диапазоне температур 70-400 К. Особенностью нашего подхода является использование высокоточных поверхностей потенциальной энергии и индуцированного дипольного момента, построенных на основе квантово-химических ab initio значений. Выполненные нами расчеты СИП свободны от эмпирических параметров и других упрощений, характерных для других имеющихся в литературе теоретических моделей.

Полученные теоретические спектры СИП с высокой точностью согласуются с данными измерений микроволновых спектров СН4-СО2, проведенных в ИПФ РАН [4]. Для имеющихся в литературе спектров СН4-СО2 в дальней ИК области [5,6], полученных с помощью синхротронного источника, характерны значительные погрешности. Согласие рассчитанных нами спектров с этими экспериментальными данными можно считать удовлетворительным. Одним из преимуществ разработанного нами метода является возможность учета поглощения связанных ван-дер-ваальсовских димеров, роль которых велика при низких температурах. Температурная вариация спектров молекулярных пар СН4-СО2, включая спектры димеров, исследована нами при температурах от 70 до 400 К. Полученные данные могут быть использованы в радиационных моделях для описания парникового эффекта в условиях палеоатмосфер или экзопланетных атмосфер, содержащих достаточное количество СО2 и метана.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (125020501413-6).