ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА МЕТАНА В ОБЛАСТИ 7500СМ1 ПРИ ВАРИАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Введение 5
1 Обзор литературы 7
1.1 Метан 7
1.2 Низкотемпературные кюветы 11
1.2.1 Низкотемпературные кюветы для работы с “IFS-125HR” 11
1.2.2 Низкотемпературная кювета Эрриотта для работы с “IFS-125HR” 14
1.3 Фурье-спектроскопия 19
1.3.1 Принцип работы Фурье-спектрометра 20
1.4 Ab initioметоды 24
2 Экспериментальная часть 26
2.1 Низкотемпературная медная кювета для работы с “IFS-125-М” 26
2.2 Низкотемпературная стальная кювета для работы с “IFS-125-М” 29
2.3 ИК Фурье-спектрометр Bruker “IFS-125HR” 31
2.4 Регистрация спектра метана при вариации температуры 35
2.5 Регистрация спектра метана при вариации давления 40
3 Обработка спектра 42
3.1 Инструментальная программа “WxSpe” 42
3.2 Преобразование в спектры поглощения 44
3.3 Калибровка частот и интенсивности 45
3.4 Определение E и J с помощью 2Т-метода 48
3.5 Определение коэффициентов уширения и сдвига давлением с помощью 52
мультиспектральной обработки
4 Идентификация спектра метана 55
4.1 Неприводимые представления 55
4.2 Исследования структуры спектра 56
4.3 Результаты идентификации 63
5 Сравнение полученных данных 65
Заключение 69
Список использованной литературы

Купить

Метан является одним из главных органических соединений в атмосфере Земли, т.к. является вторым по эффективности поглощения теплового излучения Земли и оказывает существенный вклад в создание парникового эффекта. Также изменение концентрации метана влияет на химические процессы, протекающие в атмосфере. Увеличение концентрации метана в атмосфере может привести к ухудшению экологии на Земле [1]. Метан постоянно присутствует в атмосфере, однако его содержание может изменяться во времени и зависит от области пространства атмосферы, а также имеет мощные естественные источники и стоки [2]. Основные источники образование метана: химические реакции неорганических соединений, жизнедеятельность микроорганизмов, термохимические процессы [1].
За последние сто лет наблюдается тенденция возрастания концентрации метана в атмосфере. Это связано с тем, что данное соединение поступает в атмосферу в большом количестве в результате деятельности человека, а именно с возникновением индустриализации [2]. Таким образом, по увеличению концентрации метана можно оценить масштаб влияния человеческой деятельности [1].
Помимо атмосферы Земли метан содержится в атмосфере большинства планет и их спутников в Солнечной системе (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Титан, Тритон), а также в атмосфере экзопланет. С помощью дистанционных методов измерения излучения, проходящего через атмосферу экзопланеты, исследуются характеристики самой планеты, а используя полученные характеристики спектральных линий, можно создать модель атмосферы данной планеты. Важно отметить, что метан является одним их основных биомаркеров экзопланет, следовательно, по наличию метана в атмосфере и остальных биомаркеров, можно проводить поиск планет с возможным существованием жизни на них или условий для её зарождения [2,3].
Если рассматривать газ в термодинамическом равновесии, то концентрация молекул газа, находящихся в определённом энергетическом состоянии, будет описываться распределением Больцмана. Из данного распределения следует, что при уменьшении температуры газа уменьшается концентрация молекул, которые находятся в состоянии с высокой энергией. При этом, увеличивается концентрация молекул, занимающих низкоэнергетические состояния. В результате, при низких температурах структура спектра существенно упрощается, что позволяет выявить закономерности в спектре и определить энергию нижних состояний по измеренной относительной интенсивности линий. Кроме того, уменьшается Доплеровское уширение спектральных линий, т.к. данное уширение связано с тепловым движением молекул относительно детектора и непосредственно зависит от температуры газа. Таким образом, при низких температурах происходит сужение спектрального контура и улучшается разрешение, что облегчает идентификацию спектральных полос [4,5].
Опираясь на базу данных “Hitran”, на данный момент вращательная структура ИК спектра 12CH4 хорошо изучена (разрешены переходы) приблизительно до области около 7500 см-1, для 13CH4 только до 6000 см-1. Также имеются статьи исследования метана в области 7500 см-1 и более высоких частот. В работах S. Kassi [13] и A. Campargue [14] описывают разработанную кювету с длиной пути 1,4 м, охлаждаемую криостатом с замкнутым циклом. Регистрация спектров проводилась с использованием в качестве источника света волоконных диодных лазеров, при температурах до 77 К в двух спектральных областях: 5850 - 6190 см-1 и 6700 - 7700 см-1, что соответствует тетрадекаде и икосаде. С помощью 2Т-метода из измерений интенсивностей при двух температурах определены эмпирические значения энергии нижних уровней. Margolis J. S. и Fox K. [15] зарегистрировали спектры планет в области до 14000 см-1. В работе [16] J. P. Maillard представил инфракрасные спектры планет подобных Юпитеру в области 4000 - 12000 см-1 методом Фурье-преобразования, а также зарегистрировал спектры метана в области 9000 - 9500 см-1.
Большинство имеющихся экспериментальных данных по спектрам поглощения метана ограничиваются областью до 8000 см-1, что связано с малой интенсивностью линий в более высокочастотной области. Увеличение длины поглощающего пути, увеличение интенсивности возбуждающего излучения (для увеличения отношения сигнала к шуму) позволит проводить исследования в более высокоэнергетических областях. Для достижения данной цели применяются многопроходные кюветы.
Цель данной работы: зарегистрировать спектр 13CH4 с помощью разработанной низкотемпературной кюветы и по данным спектрам при различных температурах и давлениях, определить параметры контура спектральных линий (частоту, интенсивность, коэффициенты уширения и сдвига линий давлением) и провести идентификацию вращательной структуры полученных спектров в области 7500 см-1.

Купить