Vol. 39, issue 01, article # 1

Abstract:

Carbon dioxide is a perceptible component of Earth's atmosphere and a significant part of the atmospheres of other planets of the terrestrial group. In this work, absorption by carbon dioxide is considered on the basis of the asymptotic line wing theory. Line contour parameters have been found by fitting to experimental values at 200–300 K temperatures in the 4.3 μm CO₂ band. The different temperature behavior of the absorption is noted near the band (2400–2440 cm^-1) and far from it (2500–2590 cm^-1). The results of this study are of interest for spectroscopy and can be important in atmospheric modeling.

Keywords:

IR absorption, carbon dioxide, temperature behavior, line wing

References:

1. Rubens H., Aschkinass E. Beobachtungen über Absorption und Emission von Wasserdampf und Kohlensaure im ultraroten Spectrum // Ann. Phys. 1898. V. 300. P. 584–601.
2. Elsasser W.M. Far infrared absorption of atmospheric water vapor // Astrophys. J. 1938. V. 87. P. 497–507.
3. Penner S.S., Varanasi P. Spectral absorption coefficients in the rotation spectrum of water vapor // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1967. V. 7, N 4. P. 687–690.
4. Tvorogov S.D., Nesmelova L.I. Radiatsionnye protsessy v kryl'yax polos atmosfernyx gazov // Izv. AN SSSR. Ser. Fiz. atmosf. i okeana. 1976. V. 12, N 6. P. 627–633.
5. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D. Kontur spektral'noi linii i mezhmolekulyarnoe vzaimodeistvie. Novosibirsk: Nauka, 1986. 216 p.
6. Ma Q., Tipping R.H., Leforestier C. Temperature dependences of mechanisms responsible for the water-vapor continuum absorption: 1. Far wings of allowed lines // J. Chem. Phys. 2008. 2008. V. 128. P. 124313. DOI: 10.1063/1.2839604.
7. Simonova A.A., Ptashnik I.V., Shine K.P. Semi-empirical water dimer model of the water vapour self-continuum within the IR absorption bands // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2024. V. 329. P. 109198. DOI: 10.2139/ssrn.4826877.
8. Winters B.H., Silverman S., Benedict W.S. Line shape in the wing beyond the band head of the 4.3 μm band of CO₂ // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1964. V. 4, N 4. P. 527–537.
9. Burch D.E., Gryvnak D.A., Patty R.R., Bartky Ch.E. Absorption of infrared radiant energy by CO₂ and H₂O. IV. Shapes of collision-broadened CO₂ lines // J. Opt. Soc. Am. 1969. V. 59, N 3. P. 267–280.
10. Bulanin M.O., Bulychev V.P., Granskii P.V., Kouzov A.P., Tonkov M.V. Issledovanie funktsii propuskaniya СО₂ v oblasti polos 4.3 i 15 μm // Problemy fiziki atmosfery. 1976. Iss. 13. P. 14–24.
11. Bulanin M.O., Dokuchaev A.B., Tonkov M.V., Filipov N.N. Influence of the line interference on the vibratio-rotation band shapes // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1984. V. 31, N 6. P. 521–543.
12. Le Doucen R., Cousin C., Boulet C., Henry A. Temperature dependence of the absorption in the region beyond the 4.3 μm band of CO₂. I: Pure CO₂ case // Appl. Opt. 1985. V. 24, N 6. P. 897–906.
13. Cousin C., Le Doucen R., Boulet C., Henry A. Temperature dependence of the absorption in the region beyond the 4.3-μm band head of CO₂. 2: N₂ and O₂ broadening // Appl. Opt. 1985. V. 24, N 22. P. 3899–3906. DOI: 10.1364/AO.24.003899.
14. Hartmann J.M., Perrin M.Y. Measurements of pure CO₂ absorption beyond the v₃ band at high temperatures // Appl. Opt. 1989. V. 28, N 13. P. 2550–2553. DOI: 10.1364/AO.28.002550.
15. Perrin M.Y., Hartmann J.M. Temperature-dependent measurements and modeling of absorption by CO₂–N₂ mixtures in the far line-wings of the 4.3 μm CO₂ band // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1989. V. 42, N 4. P. 311–317.
16. Hartmann J.-M., Boulet C., Tran H., Nguyen M.T. Molecular dynamics simulations for CO₂ absorption spectra. I. Line broadening and the far wing of the v₃ infrared band // J. Chem. Phys. 2010. V. 133, N 14. P. 144313. DOI: 10.1063/1.3489349.
17. Hartmann J.-M., Tran H., Armante R., Boulet C., Campargue A., Forget F., Gianfrani L., Gordon I., Guerlet S., Gustafsson M., Hodges J.T., Kassi S., Lisak D., Thibault F., Toon G.C. Recent advances in collisional effects on spectra of molecular gases and their practical consequences // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 213. P. 178–227. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2018.03.016.
18. Tvorogov S.D., Rodimova O.B., Nesmelova L.I. Spektral'nyi obmen i periferiya kontura spektral'nyx linii. Kriticheskii obzor // Optika atmosf. 1990. V. 3, N 5. P. 468–484.
19. Baranov Yu.I., Bulanin M.O., Tonkov M.V. Issledovanie kryl'ev linii kolebatel'no-vrashchatel'noi polosy 3ν₃ СО₂ // Opt. i spektroskop. 1981. V. 50, iss. 3. P. 613–615.
20. Rinsland C.P., Smith M.A.H., Russell III J.M., Park J.H., Farmer C.B. Stratospheric measurements of continuous absorption near 2400 cm^-1 // Appl. Opt. 1981. V. 20, N 24. P. 4167–4171. DOI: 10.1364/AO.20.004167.
21. Hartmann J.M., Boulet C. Line-mixing and finite duration of collision effects in pure CO₂ infrared spectra: Fitting analysis // Proc. of ASA Workshop. Tomsk, 1990. Proceedings. P. 10–13.
22. Hartmann J.-M., Boulet C. Line mixing and finite duration of collision effects in pure CO₂ infrared spectra: Fitting and scaling analysis // J. Chem. Phys. 1991. V. 94. P. 6406–6419. DOI: 10.1063/1.460270.
23. Brodbeck C., Nguyen-Van-Thanh, Bouanich J.-P., Boulet C., Jean-Louis A., Bezard B., De Bergh C. Measurements of pure CO₂ absorption at high densities near 2.3 μm // J. Geophys. Res.: Planets. 1991. V. 96, N E2. P. 17497–17500. DOI: 10.1029/91JE01680.
24. Phillips W.J. Band-model parameters for 4.3 μm CO₂ band in the 300–1000 K temperature region // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1992. V. 48, N 1. P. 91–104.
25. Scutaru D., Rosenmann L., Taine J., Wattson R.B., Rothman L.S. Measurements and calculations of CO₂ absorption at high temperature in the 4.3 and 2.7 μm regions // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1993. V. 50, N 2. P. 179–191. DOI: 10.1016/0022-4073(93)90116-Y.
26. Tonkov M.V., Filippov N.N., Bouanich J.P., Thanh N.V., Brodbeck C., Hartmann J.M., Boulet C. Measurements and empirical modeling of pure CO₂ absorption in the 2.3 μm region at room temperature: Far wings, allowed and collision induced bands // Appl. Opt. 1996. V. 35, N 24. P. 4863–4870. DOI: 10.1364/AO.35.004863.
27. Modest M.F., Bharadwaj S.P. Medium resolution transmission measurements of CO₂ at high temperature // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2002. V. 73. P. 329–338. DOI: 10.1016/152460900445992.
28. Niro F., Boulet C., Hartmann J.M. Spectra calculations in central and wing regions of CO₂ IR bands between 10 and 20 μm. I: Model and laboratory measurements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 88, N 4. P. 483–498. DOI: 10.1016/J.JQSRT.2004.04.005.
29. Hartmann J.-M., Boulet C., Tran H., Nguyen M.T. Molecular dynamics simulations for CO₂ absorption spectra. I. Line broadening and the far wing of the v₃ infrared band // J. Chem. Phys. 2010. V. 133, N 14. P. 144313. DOI: 10.1063/1.3489349.
30. Tran H., Boulet C., Stefani S., Snels M., Piccioni G. Measurements and modelling of high pressure pure CO₂ spectra from 750 to 8500 cm^-1. I – Central and wing regions of the allowed vibrational bands // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112, N 6. P. 925–936. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2010.11.021.
31. Klimeshina T.E., Petrova T.M., Rodimova O.B., Solodov A.A., Solodov A.M. Pogloshchenie СО₂ za kantami polos v oblasti 8000 cm^­1 // Optika atmosf. i okeana. 2013. V. 26, N 11. P. 925–931.
32. Kassi S., Campargue A., Mondelain D., Tran H. High pressure cavity ring down spectroscopy: Application to the absorption continuum of CO₂ near 1.7 μm // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 167. P. 97–104. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2015.08.014.
33. Mondelain D., Vasilchenko S., Čermák P., Kassi S., Campargue A. The CO₂ absorption spectrum in the 2.3 μm transparency window by high sensitivity CRDS: (II) Self-absorption continuum // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 187. P. 38–43. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2016.09.003.
34. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D. Koeffitsient pogloshcheniya sveta v kryle polosy 4.3 μm СО₂ // Izv. vuzov. Fiz. 1980. Iss. 10. PC. 106–107.
35. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D., Voitsexovskaya O.K., Sulakshina O.N. Koeffitsient pogloshcheniya v kryl'yax polos uglekislogo gaza v spektral'nom intervale 790–910 cm^-1 // Izv. vuzov. Fiz. 1982. Iss. 5. P. 105–108.
36. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D., Voitsexovskaya O.K., Makushkin Yu.S., Sulakshina O.N. Koeffitsient pogloshcheniya sveta v kryl'yax polos uglekislogo gaza v oblasti 2.7 μm // Shestoi Vsesoyuzn. Simpozium po molekulyarnoi spektroskopii vysokogo i sverxvysokogo razresheniya: Tez. dokl. Tomsk, 1982. Pt. 2. P. 62–66.
37. Gal'tsev A.P., Tsukanov V.V. Temperaturnaya zavisimost' koeffitsienta pogloshcheniya za kantom polos uglekislogo gaza // Opt. i spektroskop. 1983. V. 55, iss. 2. P. 273–279.
38. Fomin V.V. Uchet perekryvaniya spektral'nyx linii i neadiabatichnosti stolknovenii pri raschete pogloshcheniya za kantom vysokochastotnogo kryla polosy 1.4 μm СО₂ // Zhurn. prikl. spektrosk. 1983. V. 39, N 4. P. 633–636.
39. Telegin G.V., Fomin V.V. Approksimatsiya temperaturnyx zavisimostei koeffitsienta pogloshcheniya v spektre CO₂ // Opt. i spektroskop. 1984. V. 56, iss. 5. P. 821–827.
40. Fomin V.V. Molekulyarnoe pogloshchenie v infrakrasnyx oknax prozrachnosti. Novosibirsk: Nauka, 1986. 234 p.
41. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D. Temperaturnaya zavisimost' koeffitsienta pogloshcheniya za kantom polosy 4.3 μm СО₂ // Dokl. AN SSSR. 1987. V. 294, N 1. P. 68–71.
42. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D. O prirode temperaturnoi zavisimosti koeffitsienta pogloshcheniya v dalekom kryle polosy 4.3 μm СО₂ // Izv. vuzov. Fizika. 1987. N 12. P. 42–45.
43. Kuznetsov M.N. Raschet pogloshcheniya kryl'yami linii CO₂ v polose 4.3 μm // Izv. AN SSSR. Fiz. atmosf. i okeana. 1988. V. 24, N 4. P. 394–402.
44. Tvorogov S.D., Rodimova O.B., Nesmelova L.I. Spektral'nyi obmen i periferiya kontura spektral'nyx linii. Kriticheskii obzor // Optika atmosf. 1990. V. 3, N 5. P. 468–484.
45. Tonkov M.V., Filippov N.N. Proyavlenie interferentsii linii i konechnoi dlitel'nosti stolknovenii v spektrax molekulyarnogo pogloshcheniya // Optika atmosf. i okeana. 1991. V. 4, N 2. P. 115–127.
46. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D. Spektral'noe povedenie koeffitsienta pogloshcheniya v polose 4.3 μm CO₂ v shirokom diapazone temperatur i davlenii // Optika atmosf. i okeana. 1992. V. 5, N 9. P. 939–946.
47. Nesmelova L.I., Rodimova O.B., Tvorogov S.D. On the role of continual and selective absorption in the wing of the 4.3 μm CO₂ band at high pressures and temperatures // Proc. SPIE. 1992. V. 1811. P. 291–294. DOI: 10.1117/12.131164.
48. Filippov N.N., Tonkov M.V. Semiclassical analysis of line mixing in the infrared bands of CO and CO₂ // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1993. V. 50, N 1. P. 111–125. DOI: 10.1016/0022-4073(93)90134-4.
49. Ma Q., Tipping R.H. An improved quasistatic line-shape theory: The effects of molecular motion on the line wings // J. Chem. Phys. 1994. V. 100, N 8. P. 5567–5579. DOI: 10.1063/1.467124.
50. Tvorogov S.D. Problema periferii kontura spektral'nyx linii v atmosfernoi optike // Optika atmosf. i okeana. 1995. V. 8, N 1–2. P. 18–30.
51. Hartmann J.M., L’Haridon F. Simple modeling of line-mixing effects in IR bands. I. Linear molecules: Application to CO₂ // J. Chem. Phys. 1995. V. 103, N 15. P. 6467–6477. DOI: 10.1063/1.470424.
52. Ma Q., Tipping R.H., Boulet C., Bouanich J.-P. Theoretical far-wing line shape and absorption for high-temperature CO₂ // Appl. Opt. 1999. V. 38, N 3. P. 599–604. DOI: 10.1364/ao.38.000599.
53. Rodimova O.B. Kontur spektral'nyx linii CO₂ pri samoushirenii ot tsentra do dalekogo kryla // Optika atmosf. i okeana. 2002. V. 15, N 9. P. 768–777.
54. Tanaka T., Fukabori M., Sugita T., Yokota T., Kumazawa R., Watanabe T., Nakajima H. Line shape of the far-wing beyond the band head of the CO₂ ν₃ band // J. Mol. Spectrosc. 2008. V. 252, N 2. P. 185–189. DOI: 10.1016/j.jms.2008.08.004.
55. Hartmann J.M., Boulet C., Robert D. Collisional Effects on Molecular Spectra. Laboratory Experiments and Models, Consequences for Applications. Amsterdam: Elsevier, 2008. 411 p.
56. Tvorogov S.D., Rodimova O.B. Stolknovitel'nyi kontur spektral'nyx linii. Tomsk: Izd-vo IOA SO RAN, 2013. 196 p.
57. Gordov E.P., Tvorogov S.D. Metod poluklassicheskogo predstavleniya kvantovoi teorii. Novosibirsk: Nauka, 1984. 167 p.
58. Rodimova O.B. O fizicheskom smysle parametrov potentsialov mezhmolekulyarnogo vzaimodeistviya v asimptoticheskoi teorii kryl'ev linii // Zhurn. fiz. khimii. 2024. V. 98, N 5. P. 48–57. DOI: 10.1134/S0036024424050236.