Том 39, номер 08, статья № 1

Аннотация:

Развитие прецизионных моделей рассеяния света для задач лидарного зондирования земной атмосферы требует надежных данных о поляризационных характеристиках молекул. Однако для ряда ключевых компонентов воздуха такие сведения остаются фрагментарными либо отсутствуют. В настоящей работе методом спонтанного комбинационного рассеяния (КР) света экспериментально определены степени деполяризации Q-ветвей колебательных полос для молекул N₂, O₂, H₂O, CO₂ и CH₄, являющихся основными компонентами атмосферного воздуха. Измерения выполнены с использованием высокочувствительного КР-спектрометра при возбуждении лазером на длине волны 532 нм. Впервые оценены степени деполяризации полос Ферми-триады CO₂, а также обертонов 2ν₂ и 2ν₄ CH₄. На основе полученных данных определены отношения производных инвариантов тензора поляризуемости указанных молекул. Полученные результаты дополняют существующие сведения о поляризационных характеристиках молекул атмосферных газов, необходимые для моделирования процессов рассеяния света в атмосфере Земли.

Ключевые слова:

комбинационное рассеяние, поляризация, степень деполяризации, инварианты поляризуемости, атмосферный воздух, азот, кислород, водяной пар, диоксид углерода, метан

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Cooney J.A. Uses of Raman scattering for remote sensing of atmospheric properties of meteorological significance // Opt. Eng. 1983. V. 22, N 3. Art. 223292. DOI: 10.1117/12.7973108.
2. Privalov V.E., Shemanin V.G. Raman lidar system for the hydrogen molecules remote sensing in atmosphere // Opt. Spectrosc. 2023. V. 131, N 6. P. 441–445. DOI: 10.1134/S0030400X23020170.
3. Hanf S., Keiner R., Yan D., Popp J., Frosch T. Fiber–Enhanced Raman Multigas Spectroscopy: A Versatile Tool for Environmental Gas Sensing and Breath Analysis // Anal. Chem. 2014. V. 86, N 11. P. 5278–5285. DOI: 10.1021/ac404162w.
4. Knebl A., Domes R., Yan D., Popp J., Trumbore S., Frosch T. Fiber–enhanced Raman multigas spectroscopy: A versatile tool for environmental gas sensing and breath analysis // Anal. Chem. 2019. V. 91, N 12. P. 7562–7569. DOI: 10.1021/acs.analchem.8b05684.
5. Lu W., Wang X., Wan Q., Hu W., Chou I.-M., Wan Y. In situ Raman spectroscopic measurement of the ¹³C/¹²C ratio in CO₂: Experimental calibrations on the effects of fluid pressure, temperature and composition // Chem. Geol. 2023. V. 615. P. 108540. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2022.121201.
6. Petrov D.V., Tanichev A.S. ¹³CH₄/¹²CH₄ sensing using Raman spectroscopy // Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc. 2024. V. 315. DOI: 10.1016/j.saa.2024.124253.
7. Estefany C., Sun Z., Hong Z., Du J. Raman spectroscopy for profiling physical and chemical properties of atmospheric aerosol particles: A review // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2023. V. 249. P. 114405. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2022.114405.
8. Kieft T., Mashburn C., Borysow J., Mazzoleni C. A filter-based Raman spectrometer for non-invasive imaging of atmospheric water vapor // Rev. Sci. Instrum. 2022. V. 93, N 3. P. 035102. DOI: 10.1063/5.0078784.
9. Бобровников С.М., Жарков В.И., Зайцев Н.Г., Трифонов Д.А. Применение комбинированного метода фоторегистрации в лидарных измерениях температуры атмосферы на главном зеркале Сибирской лидарной станции // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 10. С. 839–845. DOI: 10.15372/AOO20231008; Bobrovnikov S.M., Zharkov V.I., Zaitcev N.G., Trifonov D.A. Combined lidar signal registration technique for atmospheric temperature measurements with the primary mirror of the Siberian Lidar Station // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 1. P. 24–30. DOI: 10.1134/S1024856023700045.
10. Singor A.J.C., Scarlett L.H., Zammit M.C., Bray I., Fursa D.V. Rovibrationally resolved Rayleigh and Raman scattering cross sections for molecular hydrogen // J. Chem. Phys. 2024. V. 161, N 24. P. 244304. DOI: 10.1063/5.0235703.
11. Danichkin S.A., Eliseev A.A., Popova T.N., Ravodina O.V., Stenina V.V. Raman scattering parameters for gas molecules (survey) // J. Appl. Spectrosc. 1981. V. 35, N 4. P. 1057–1066. DOI: 10.1007/BF00605646.
12. Buldakov M.A., Matrosov I.I., Popova T.N. Measurement of the angular dependence of Raman scattering of light and determination of some polarization parameters of O₂ and N₂ // Opt. Speсtrosс. 1979. V. 47, N 1. P. 87–90.
13. Buldakov M.A., Ippolitov I.I., Korolev B.V., Matrosov I.I., Cheglokov A.E., Cherepanov V.N., Makushkin Y.S., Ulenikov O.N. Vibration rotation Raman spectroscopy of gas media // Spectrochim. Acta – Part Mol. Spectrosc. 1996. V. 52, N 8. P. 995–1007. DOI: 10.1016/0584-8539(95)01631-7.
14. Buldakov M.A., Korolev B.V., Matrosov I.I. Raman scattering from vibrationally exited N₂ and O₂ molecules // Proc. SPIE. 1999. V. 3983. P. 534–537. DOI: 10.1117/12.370542.
15. Buldakov M.A., Cherepanov V.N., Korolev B.V., Matrosov I.I. Role of intramolecular interactions in Raman spectra of N₂ and O₂ molecules // J. Mol. Spectrosc. 2003. V. 217, N 1. P. 1–8. DOI: 10.1016/S0022-2852(02)00012-7.
16. Murphy W.F. The rovibrational Raman spectrum of water vapour v₁ and v₃ // Mol. Phys. 1978. V. 36, N 3. P. 727–732. DOI: 10.1080/00268977800101881.
17. Yu Y., Lin K., Zhou X., Wang H., Liu S., Ma X. Precise measurement of the depolarization ratio from photoacoustic Raman spectroscopy // J. Raman Spectrosc. 2007. V. 38, N 9. P. 1206–1211. DOI: 10.1002/jrs.1754.
18. Jin Y.J., Yu Y.Q., Wang Y.X., Lin K., Zhou X.G., Liu S.L. Accurate measurement of Raman depolarization ratio in gaseous CO₂ // Chin. J. Chem. Phys. 2015. V. 28, N 1. P. 17–20. DOI: 10.1063/1674-0068/28/ cjcp1409156.
19. Tanichev A.S., Petrov D.V. Depolarization ratio of the n₁ Raman band of pure CH₄ and perturbed by N₂ and CO₂ // Molecules. 2022. V. 27, N 1. Art. 144. DOI: 10.3390/molecules27010144.
20. Wang P.G., Ziegler L.D. Polarization analysis of the 266-nm excited resonance Raman spectrum of methyl iodide // J. Phys. Chem. 1993. V. 97, N 13. P. 3139–3145. DOI: 10.1021/j100115a013.
21. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J., Hashemi R., Karlovets E.V., Skinner F.M., Conway E.K., Hill C., Kochanov R.V., Tan Y., Wcisło P., Finen-ko A.A., Nelson K., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Campargue A., Chance K.V., Coustenis A., Drouin B.J., Flaud J.-M., Gamache R.R., Hodges J.T., Jacquemart D., Mlawer E.J., Nikitin A.V., Perevalov V.I., Rotger M., Tennyson J., Toon G.C., Tran H., Tyuterev V.G., Adkins E.M., Baker A., Barbe A., Canè E., Császár A.G., Dudaryonok A., Egorov O., Fleisher A.J., Fleurbaey H., Foltynowicz A., Furtenbacher T., Harrison J.J., Hartmann J.-M., Horneman V.-M., Huang X., Karman T., Karns J., Kassi S., Kleiner I., Kofman V., Kwabia-Tchana F., Lavrentieva N.N., Lee T.J., Long D.A., Lukashevskaya A.A., Lyulin O.M., Makhnev V.Yu., Matt W., Massie S.T., Melosso M., Mikhailenko S.N., Mondelain D., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Perrin A., Polyansky O.L., Raddaoui E., Raston P.L., Reed Z.D., Rey M., Richard C., Tóbiás R., Sadiek I., Schwenke D.W., Starikova E., Sung K., Tamassia F., Tashkun S.A., Vander Auwera J., Vasilenko I.A., Vigasin A.A., Villanueva G.L., Vispoel B., Wagner G., Yachmenev A., Yurchenko S.N. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2022. V. 277. DOI: 10.1016/j.jqsrt. 2021.107949.
22. Tejeda G., Mate B., Montero S. Overtone Raman spectrum and molecular polarizability surface of CO₂ // J. Chem. Phys. 1995. V. 103, N 2. P. 568–576. DOI: 10.1063/1.470091.
23. Nikitin A.V., Mikhailenko S., Isamu M., Yokota T., Kumazawa R., Watanabe T. Isotopic substitution shifts in methane and vibrational band assignment in the 5560–6200 cm^-1 region // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110, N 12. P. 964–973. DOI: 10.1016/ j.jqsrt.2009.02.016.
24. Bermejo D., Escribano R., Orza J.M. Absolute Raman intensities of CH₄, CH₃D, CH₂D₂, CHD₃, and CD₄ // J. Mol. Spectrosc. 1977. V. 65, N 3. P. 345–353. DOI: 10.1016/0022-2852(77)90274-0.
25. Svendsen E.N., Oddershede J. Ab initio calculation of the Raman intensity of the N₂ molecule // J. Chem. Phys. 1979. V. 71, N 7. P. 3000–3005. DOI: 10.1063/1.438704.
26. Holzer W., Duff Y.L. The Depolarization Ratio of the Raman Bands of the Vibration of Diatomic Molecules: Conf. proceedings // Third International Conference on Raman Spectroscopy. Paris, September 1972 / J.P. Mathieu (ed.). London: Heyden, 1973. P. 109–144.
27. Hoell J.M., Allario F., Jarrett O., Seals R.K. Measurements of F₂, NO, and ONF Raman cross sections and depolarization ratios for diagnostics in chemical lasers // J. Chem. Phys. 1973. V. 58, N 7. P. 2896–2901. DOI: 10.1063/1.1679595.
28. Kamiyama H., Okano S., Maruyama N. Raman scattering by gaseous molecules and its application to upper atmosphere researches: Conf. abstracts // Sixth International Laser Radar Conference. Sendai, September 1974 / H. Inaba (ed.). Sendai: Tohoku University, 1974. N III–5. P. 45.
29. Hill R.A., Esherick P., Owyoung A. High-resolution stimulated Raman spectroscopy of O₂ // J. Mol. Spectrosc. 1983. V. 100, N 1. P. 119–133. DOI: 10.1016/0022-2852(83)90029-2.
30. John I.G., Bacskay G.B., Hush N.S. Finite field method calculations. VI. Raman scattering activities, infrared absorption intensities and higher-order moments: SCF and CI calculations for the isotopic derivatives of H₂O and SCF calculations for CH₄ // Chem. Phys. 1980. V. 51, N 1–2. P. 49–60. DOI: 10.1016/0301-0104(80)80079-6.
31. Montero S. Raman intensities of Fermi diads. I. Overtones in resonance with nondegenerate fundamentals // J. Chem. Phys. 1983. V. 79, N 9. P. 4091–4100. DOI: 10.1063/1.446357.