Впервые подтверждено существование водных кластеров в земной атмосфере

Учёные давно догадываются, что, вопреки теоретическим моделям, вода в атмосфере Земли абсорбирует больше излучения, чем должна. Это чрезвычайно сильно влияет на климат планеты, да только оценить это с должной точностью не удаётся из-за отсутствия чёткого теоретического объяснения (подтверждённого экспериментом) этого факта.

В 1960-х советский астроном Сергей Жевакин предложил такую гипотезу: среди нормальных одиночных молекул воды (мономеров) есть небольшая доля таких, которые связаны водородной связью и составляют пары — димеры, (H₂O)₂. «Сдвоенные» молекулы воды должны поглощать больше излучения, чем мономеры.

При всей логичности этого объяснения подтвердить его было не просто, ведь следы димеров при спектральном анализе почти невозможно отличить от следов мономеров воды.

Новый эксперимент доказал, что водные димеры в атмосфере Земли есть. Осталось выяснить границы их влияния на наш климат. (Фото NASA.)

И лишь вращательная спектроскопия (вид микроволновой спектроскопии, измеряющей поглощение или излучение света молекулами для понимания изменений в их вращательной энергии) в принципе могла добиться здесь положительного результата. Ведь молекулы-мономеры в силу различия масс должны иметь куда меньшую, чем у димеров, инерцию при вращении.

Но стандартные спектрометры просто не располагали достаточной для этого чувствительностью. Теперь же исследователи из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) под руководством ученика Сергея Жевакина Михаила Третьякова создали первый спектрометр, способный работать с излучением на предельно высоких частотах (от 100 до 200 ГГц). Для этого КВЧ-излучение (очень высокой частоты) направляется в полость с зеркалом на противоположном от входа конце. Резонанс полости зависти от расстояния между зеркалами, контролируемого с чрезвычайно высокой точностью. Затем в камеру впрыскивается газ, а частоты постепенно меняют. На тех частотах, на которых газ не абсорбирует волны, камера показывает один резкий пик на ожидаемой резонансной частоте. Однако на частотах, близких к пику поглощения этого газа, резонансные пики значительно уширяются. Измеряя резкость такого всплеска, исследователи могут оценить и резонансы, связанные с водными димерами.

В школе нас учили, что в норме вода состоит из однотипных молекул. Бывает, конечно, и так, но в реальности часто встречаются димеры, тримеры и тетрамеры (сверху вниз). (Иллюстрация Andrew B. Ryzhkov et al.)

Для проверки существования димеров россияне впрыснули в камеру водяной пар при температуре 23 °C и с тем же парциальным давлением, которое характерно для атмосферы. Предшествующие исследования такого рода концентрировались на одиночном пике, который трудно безошибочно связать именно с димерами воды. В этот же раз удалось зарегистрировать четыре чётких пика спектра поглощения пара. Они возникли в тех же условиях, что измеренные при низкотемпературных экспериментах, уже фиксировавших следы димеров.

Итак, чёткие следы димеров в атмосфере земного типа удалось «поймать» при реально существующих условиях. Правда, полученные пики поглощения излучения были вчетверо шире, чем предсказанные компьютерным моделированием. Авторы работы полагают, что причина этого — в упрощении структуры молекулы воды, положенном в основу моделей водного пара. Так, молекула воды считается в них симметричной (как в учебнике), в то время как в реальности это не совсем так.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.