CDSD-4000: high-temperature spectroscopic CO2 databank

 S.A. Tashkun, V.I. Perevalov 

Laboratory of Theoretical Spectroscopy, V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics,

Russian Academy of Sciences, 1, Zuev square, 634021, Tomsk, RUSSIA

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

Motivation

The exoplanet COROT-7b is close enough to its star that its "day-face" is hot enough to melt rock. ScienceDaily (Oct. 1, 2009)

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

Aerothermal modeling for Mars entry missions

Exoplanents

Industrial applications

High-temperature lab spectraCO2  ↔ (1-x)CO2 + xCO +x/2*O2

Does CO2 exist at 4000 K ?

T (K) CO2 CO O2

1500 1. 0. 0.

2000  .986 0.0014 .007

2500  .876 .124 .062

3000 .575  .425 .213

3500 .261 .739 .370

4000 .106 .894 .447

molar composition x [moles], p=1 atm

www.engr.colostate.edu/~allan/thermo/page11/co2/CO2reaction.html

S. Depraz et al, An experimental setup for IR gas radiative property measurementsat temperatures up to 6000 K: Application to CO2 and CO2-N2 mixtures  2009 Proceedings of the ASME Summer Heat Transfer Conference 2009, HT2009, 1 pp. 363 - 370 . 

History• R.B. Wattson, L.S. Rothman JMS 119, 83 (1986); JQSRT 

48, 763 (1992):  HITEMP, Tref=1000 K,  Icut ~ 10-27 cm/mol

• J.B. Pollack et al, Icarus 103, 1 (1993): HOT-CO2, Tref=750 K,  Icut = 10-30 cm/mol

• S.A. Tashkun et al, JQSRT 82, 165  (2003): CDSD-1000, Tref=1000 K,  Icut = 10-27 cm/mol

• S.A. Tashkun, V.I. Perevalov (2008): CDSD-296, CDSD-1000, CDSD-Venus

• L.S. Rothman et al, JQSRT, (2010): CDSD-HITEMP, update and merge of CDSD-296, CDSD-Venus, CDSD-1000 ftp.iao.ru /pub/CDSD_HITEMP 

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

How CDSD is created

EffectiveHamiltonian

model (Teffo, Perevalov)

Effectivedipole moment

model (Teffo, Perevalov)

Line broadening model(Bykov, Lavrientieva)

Observed positions

Observed intensities

RITZ code:checking assignments and

recalibration of data

GIP code:Line by line fit of an effective 

operator parameters to observed data

CDSD code:create a databank using given

Tref and Icutoff

CDSD databank

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

A. Campargueand coworkers2005 – 2010R.A. Toth

 and coworkers2008

CDSD-4000Tcalc = 4000 K, Intensity cutoff = 10-27 cm/molecule @ TcalcFour isotopologues: 12C16O2, 13C16O2, 16O12C18O, 16O12C17O

Tref = 296 K, Number of entries:  628 324 454Format of the databank: HITRAN-2008

isotopologue entries vmin vmax smin smax emax

cm-1 cm-1 cm/mol cm/mol cm-1

12C16O2 573 881 316 226 8310 7.3E-109 3.5E-18 4352213C16O2 30 805 168 406 6797 2.9E-105 3.7E-20 4142316O12C18O 18 282 396 394 5140 2.2E-095 6.9E-21 3635916O12C17O 5 355 574 457 4976 6.1E-085 1.3E-21 31011Distributive of CDSD-4000:2770 ascii files sorted by frequencySize of the distributive: ~ 20 Gb in zipped formatDatabank location:  Institute of Atmospheric Optics,  HITEMP site ???, …

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

CDSD-4000 will be available via 

CDSD ingredients( )

shcE

kTs

s

Q T d e

12C16O2 : Qour(4000) = 379231.;  QOsipov(4000) = 379960.;  D = 43 869 cm-1

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

Partition function: direct summation

Linewidths and temperature exponents: gair, gself, nair, nself : a semi-empirical model 

V. M. Osipov, Mol Phys 102, 1785 (2004)

A.D. Bykov, N.N. Lavrentieva, and L.N. Sinitsa, Proceedings of SPIE 4678, 29 (2002) 

Lineshifts : sair,: an empirical model 

J.-M. Hartmann, JQSRT 110, 2019 (2009)

Enegry cutoff = 44000 cm-1  

4.3 μm regionFig 2. Experimental conditions:T = 2850 K, P = 2 atm, L = 2.34 cm0.24 CO2, 0.18 CO, 0.35 H2O, 0.09 O2

Spectral slitwidth ~ 3cm-1

Simulation conditions:Icutoff = 10-25 cm/molecule, Lorentz contourWing length 2 cm-1 Apparatus function: triangle, 3cm-1

Dependence on IcutoffIcutoff = 10-25 :       6.9*106 linesIcutoff = 10-27:      71.7*106 lines

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

C.C. Ferriso et al, JOSA 56, 171 (1966)

T- dependence

15μm regionC.B. Ludwig et al, JOSA 56, 1685 (1966)Fig 4. Experimental conditions:T = 2300 K, P = 1 atm, L = 1.67 cm0.49 CO2

Spectral slitwidth ~ 5cm-1

Simulation conditions:Icutoff = 10-25 cm/moleculeLorentz contourWing length 2 cm-1 Apparatus function: triangle, 5 cm-1

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

S.P. Bharadwaj, M.F. Modest JQSRT 103 146 (2007)

2.7 μm regionEtude expérimentale et modélisation des propriétés radiativesde mélanges gazeux de type CO2-N2 à très haute température.Applications aux rentrées atmosphériques martiennes.Sébastien DEPRAZ (DEFA)Directeur s de thèse : Anouar SOUFIANI (EM2C) Marie-Yvonne PERRIN (EM2C)

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

Simulation withCDSD-1000 (green line)CDSD-4000 (black line)

Future workAdd less abundant isotopologues 16O13C18O, … Add pressure self-shiftsEfficient software for LBL calculationsRefitting models with new measurements (an endless loop …)

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

Acknowledgement• A. Campargue • L. Rothman• I. Gordon• L. Brown• S.-M. Hu

Financial support

The 11th HITRAN Database  Conference June 16 – June 18, 2010

S.A. Tashkun acknowledges support from a joint RFBR (09-05-92508-ИК_а) and CRDF (RUG1-2954-TO-09) grant.

RFBR - CNRS grant  09-05-93105-НЦНИЛ_а.