Перспективы научных исследований для студентов

Задачи переноса инфракрасного неравновесного излучения, обусловленного излучением и поглощением фотонов при колебательно-вращательных переходах в молекулах, сложны из-за многообразия физических процессов, которые требуется учитывать. Во-первых, это связано с небольцмановским распределением молекул по колебательным состояниям. Чтобы найти эти распределения приходится решать кинетические уравнения для населенностей колебательных состояний, учитывая возбуждение и девозбуждение молекул, как за счет оптических процессов, так и благодаря неупругим молекулярным столкновениям, включая обмен колебательной энергии между молекулами разного сорта. Во-вторых, сложность связана с большой протяженностью планетных атмосфер. Другими словами, перенос излучения происходит в «оптически толстых» средах: при «пересечении» атмосферы фотон многократно поглощается и излучается вновь (до десятков тысяч раз и более для некоторых колебательных переходов).

Задачи переноса инфракрасного неравновесного излучения, обусловленного излучением и поглощением фотонов при колебательно-вращательных переходах в молекулах, сложны из-за многообразия физических процессов, которые требуется учитывать. Во-первых, это связано с небольцмановским распределением молекул по колебательным состояниям. Чтобы найти эти распределения приходится решать кинетические уравнения для населенностей колебательных состояний, учитывая возбуждение и девозбуждение молекул, как за счет оптических процессов, так и благодаря неупругим молекулярным столкновениям, включая обмен колебательной энергии между молекулами разного сорта.
Ниже приводится диаграмма колебательных состояний, которые учитываются для решения задачи переноса неравновесного излучения в атмосфере Земли. Диаграмма хорошо показывает сложность таких задач. Задачи переноса неравновесного излучения приходится рассматривать для миллионов спектральных линий, образованных колебательно-вращательных переходами. На диаграмме указаны только основные колебательные переходы.

Диаграмма колебательных состояний, которые учитываются для решения задачи переноса неравновесного излучения в атмосфере Земли. (A.G. Feofilov and A.A. Kutepov. Infrared Radiation in the Mesosphere and Lower Thermosphere: Energetic Effects and Remote Sensing. Surv Geophys (2012) 33:1231–1280, DOI 10.1007/s10712-012-9204-0)

Уровни молекул  CH4 и N2O, которые тоже должны быть учтены в модели, не показаны. Тонкие черные линии – колебательные уровни. Синие линии со стрелками – оптические переходы. Пунктирная оранжевая линия показывает множество колебательных состояний, населенности которых резко увеличиваются при поглощении солнечного излучения в ближнем ИК диапазоне («солнечная накачка» - толстая оранжевая линия со стрелками). Колебательные уровни связаны между собой различными процессами обмена колебательной и поступательной энергией при столкновении молекул (на схеме эти процессы не показаны).

На следующем рисунке, как пример, подробно показаны колебательные состояния и основные процессы, учитываемые в модели колебательной кинетики молекулы H2O. Сплошные линии – оптические переходы, пунктир –процессы колебательно-колебательного, V–V, и колебательно-поступательного, V–T, обмена энергиией при столкновениях.

В Лаборатории разработаны и продолжают совершенствоваться методы решения указанных задач. В настоящее время основные усилия направлены на исследование переноса излучения в атмосферах Марса и Венеры. Исследования проводятся совместно с Институтом космических исследований РАН, располагающим измерениями спектров излучения атмосфер Марса и Венеры, полученными с космических аппаратов. Непрекращающийся поток открытий экзопланет (планет около других звезд) диктует план работ в будущем – необходимо разработать общие подходы к решению задач переноса неравновесного излучения и выявить общие закономерности в распределении молекул по колебательным состояниям.

В атмосфере существуют волны с фиксированными периодами – гармоники солнечного теплового прилива и собственные колебания атмосферы. Эти волны являются глобальными – в волновой процесс вовлечена вся атмосфера. В Лаборатории проводятся исследования короткопериодных глобальных волн – диапазон периодов ~ 1 – 5 часов. Изучается их пространственная структура и связь появления волн с крупномасштабными движениями атмосферы, поскольку короткопериодные волны являются следствием нелинейных процессов в масштабе всей планеты. Волны выявляются в результате обработки наблюдений свечений верхней атмосферы, измерений давления атмосферы высокочувствительными барометрами и по показаниям сейсмических приборов – сейсмометров и гравиметров. В настоящее время исследование короткопериодных глобальных волн проводится на основе барометрических и гравиметрических измерений, проводимых на мировой сети станций Глобального геодинамического проекта (см. карту).

В будущем планируются исследования в двух направлениях. Первое направление – астрофизическое. Предметом гелиосейсмологии является исследование процессов внутри Солнца на основе наблюдений собственных колебаний Солнца в минутном диапазоне периодов. Аналогично регистрация короткопериодных глобальных волн в атмосферах Марса и Венеры может являться дополнительным методом исследования динамического и термического состояния этих атмосфер. Требуемые длинные ряды измерений параметров атмосферы этих планет имеются. Второе направление – геофизическое. Гравиметрические измерения выявляют частотный спектр собственных колебаний Земли с самым длиннопериодным колебанием около 54 мин. Поскольку эти колебания возбуждаются также в сейсмически спокойные периоды, требуется проверка гипотезы о том, что постоянным источником этих волн являются вариации давления атмосферы.