甲烷分子的高分辨变温吸收光谱研究

甲烷是很重要的多原子分子，其红外吸收对温度效应的贡献仅次于二氧化碳，是目前研究最为深入的对象之一，也是火星、土卫六等行星大气的重要成分。甲烷分子完整而精确的分子光谱数据库，特别是其温度和碰撞展宽等光谱学参数，是研究大气环流循环、和大气监测等众多应用工作的基础，以及检验分子结构理论的重要依据。有效哈密顿量与高精度量化计算相结合的方法，在解释多原子非线形分子光谱时遇到了非常大的困难。这类分子振转激发态非常复杂，传统的有效哈密顿量不能准确地描述它们的势能面，目前最好的量化计算精度和实验精度相比仍差距较大（约3个量级），这些都导致其光谱分析十分困难。本项目计划通过系统测量甲烷及其主要同位素分子在变温条件下的红外吸收变温光谱，一方面获得可直接应用的重要光谱数据，另一方面可根据强度随着温度变化归属谱线跃迁下态，从而得到分子振转激发态能级的结构信息；探寻将该分析方法推广应用到其他更多的复杂多原子分子。

甲烷的红外光谱不仅是研究温室效应的基本依据之一，其完整、精确的光谱实验数据也是天文学、大气环流循环和大气监测等众多应用工作的基础。我们系统地测量了甲烷及其主要同位素分子的中、近红外吸收变温光谱，获得了大量新的光谱数据。一方面，我们归属了12CH4和12CH3D同位素分子部分波段的跃迁吸收线，完善了12CH3D分子11个振动态的能级结构信息；并初步理论模拟了12CH3D分子4700～5100 cm-1的光谱，与实验光谱的符合达到了0.01cm-1水平。另一方面，与国际同行合作，解释了土卫六大气在1.58 µm的吸收光谱。此外，在实验中发展了基于连续激光光源，探测灵敏度达到10-11/cm水平、光谱测量精度达到亚兆赫兹水平的高灵敏、高精密的激光锁频光腔衰荡光谱探测技术；并将该技术应用于水、二氧化碳、一氧化二氮、乙炔和氢气等分子的高精密光谱研究。该技术与控温样品池连用有望应用于更多的多原子分子体系，实现复杂光谱的归属分析，研究分子内和分子间动力学过程。发表文章21篇，其中18篇标注了该项目基金号20903085。