We present a theoretical study of the effects of collisions with water vapor molecules on the absorption, around 4 μm, in both the high frequency wing of the CO2 ν3 band and the collision-induced fundamental band of N2. Calculations are made for the very first time, showing that predictions based on classical molecular dynamics simulations enable, without adjustment of any parameter, very satisfactory agreement with the few available experimental determinations. This opens the route for a future study in which accurate temperature-dependent (semi-empirical) models will be built and checked through comparisons between computed and measured atmospheric spectra. This is of interest since, as demonstrated by simulations, neglecting the humidity of air can lead to significant modifications of the atmospheric transmission (and thus also emission) between 2000 and 2800 cm−1.

1.
I. E.
Gordon
,
L. S.
Rothman
,
C.
Hill
,
R. V.
Kochanov
,
Y.
Tan
,
P. F.
Bernath
,
M.
Birk
,
V.
Boudon
,
A.
Campargue
,
K. V.
Chance
,
B. J.
Drouin
,
J.-M.
Flaud
,
R. R.
Gamache
,
J. T.
Hodges
,
D.
Jacquemart
,
V. I.
Perevalov
,
A.
Perrin
,
K. P.
Shine
,
M. A. H.
Smith
,
J.
Tennyson
,
G. C.
Toon
,
H.
Tran
,
V. G.
Tyuterev
,
A.
Barbe
,
A. G.
Császár
,
V. M.
Devi
,
T.
Furtenbacher
,
J. J.
Harrison
,
J.-M.
Hartmann
,
A.
Jolly
,
T. J.
Johnson
,
T.
Karman
,
I.
Kleiner
,
A. A.
Kyuberis
,
J.
Loos
,
O. M.
Lyulin
,
S. T.
Massie
,
S. N.
Mikhailenko
,
N.
Moazzen-Ahmadi
,
H. S. P.
Müller
,
O. V.
Naumenko
,
A. V.
Nikitin
,
O. L.
Polyansky
,
M.
Rey
,
M.
Rotger
,
S. W.
Sharpe
,
K.
Sung
,
E.
Starikova
,
S. A.
Tashkun
,
J.
Vander Auwera
,
G.
Wagner
,
J.
Wilzewski
,
P.
Wcisło
,
S.
Yu
, and
E. J.
Zak
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
203
,
3
(
2017
).
2.
N.
Jacquinet-Husson
,
R.
Armante
,
N. A.
Scott
,
A.
Chédin
,
L.
Crépeau
,
C.
Boutammine
,
A.
Bouhdaoui
,
C.
Crevoisier
,
V.
Capelle
,
C.
Boonne
,
N.
Poulet-Crovisier
,
A.
Barbe
,
D.
Chris Benner
,
V.
Boudon
,
L. R.
Brown
,
J.
Buldyreva
,
A.
Campargue
,
L. H.
Coudert
,
V. M.
Devi
,
M. J.
Down
,
B. J.
Drouin
,
A.
Fayt
,
C.
Fittschen
,
J. M.
Flaud
,
R. R.
Gamache
,
J. J.
Harrison
,
C.
Hill
,
Hodnebrog
,
S. M.
Hu
,
D.
Jacquemart
,
A.
Jolly
,
E.
Jiménez
,
N. N.
Lavrentieva
,
A. W.
Liu
,
L.
Lodi
,
O. M.
Lyulin
,
S. T.
Massie
,
S.
Mikhailenko
,
H. S. P.
Müller
,
O. V.
Naumenko
,
A.
Nikitin
,
C. J.
Nielsen
,
J.
Orphal
,
V. I.
Perevalov
,
A.
Perrin
,
E.
Polovtseva
,
A.
Predoi-Cross
,
M.
Rotger
,
A. A.
Ruth
,
S. S.
Yu
,
K.
Sung
,
S. A.
Tashkun
,
J.
Tennyson
,
V. G.
Tyuterev
,
J.
Vander Auwera
,
B. A.
Voronin
, and
A.
Makie
,
J. Mol. Spectrosc.
327
,
31
(
2016
).
3.
T.
Delahaye
,
X.
Landsheere
,
E.
Pangui
,
F.
Huet
,
J.-M.
Hartmann
, and
H.
Tran
,
J. Mol. Spectrosc.
326
,
17
(
2016
).
4.
T.
Delahaye
,
X.
Landsheere
,
E.
Pangui
,
F.
Huet
,
J.-M.
Hartmann
, and
H.
Tran
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
173
,
40
(
2016
).
5.
T.
Delahaye
,
X.
Landsheere
,
E.
Pangui
,
F.
Huet
,
J.-M.
Hartmann
, and
H.
Tran
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
184
,
316
(
2016
).
6.
J. S.
Wilzewski
,
I. E.
Gordon
,
R. V.
Kochanov
,
C.
Hill
, and
L. S.
Rothman
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
168
,
193
(
2016
).
7.
OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2), https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/o/oco-2, and references therein.
8.
MERLIN (MEthane Remote Sensing LIdar Mission) Minisatellite, https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/m/merlin and references therein.
9.
MicroCarb (Carbon Dioxide Monitoring Mission), https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/m/microcarb and references therein.
10.
E. J.
Mlawer
,
V. H.
Payne
,
J.
Moncet
,
J. S.
Delamere
,
M. J.
Alvarado
, and
D. C.
Tobin
,
Philos. Trans. R. Soc., A
370
,
2520
(
2012
).
11.
P.-Y.
Foucher
,
A.
Chédin
,
G.
Dufour
,
V.
Capelle
,
C. D.
Boone
, and
P. F.
Bernath
,
Atmos. Chem. Phys.
9
,
2873
(
2009
).
12.
P.-Y.
Foucher
,
A.
Chédin
,
R.
Armante
,
C. D.
Boone
,
C.
Crevoisier
, and
P. F.
Bernath
,
Atmos. Chem. Phys.
11
,
2455
(
2011
).
13.
C. E.
Sioris
,
C. D.
Boone
,
R.
Nassar
,
K. J.
Sutton
,
I. E.
Gordon
,
K. A.
Walker
, and
P. F.
Bernath
,
Atmos. Meas. Tech.
7
,
2243
(
2014
).
14.
O.
Absil
,
J.
Milli
,
D.
Mawet
,
A. M.
Lagrange
,
J.
Girard
,
G.
Chauvin
,
A.
Boccaletti
,
C.
Delacroix
, and
J.
Surdej
,
Astron. Astrophys.
559
,
L12
(
2013
).
15.
V. A.
Krasnopolsky
,
D. A.
Belyaev
,
I. E.
Gordon
,
G.
Li
, and
L. S.
Rothman
,
Icarus
224
,
57
(
2013
).
16.
R. E.
Johnson
,
T. S.
Stallard
,
H.
Melin
,
J. D.
Nichols
, and
S. W. H.
Cowley
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
122
,
7599
, (
2017
).
17.
Y. I.
Baranov
,
I. A.
Buryak
,
S. E.
Lokshtanov
,
V. A.
Lukyanchenko
, and
A. A.
Vigasin
,
Philos. Trans. R. Soc., A
370
,
2691
(
2012
).
18.
H.
Tran
,
M.
Turbet
,
P.
Chelin
, and
X.
Landsheere
, “
Measurements and modelling of absorption by CO2 + H2O mixture in the far line wings of the ν3 CO2 band
,”
Icarus
(in press).
19.
Y. I.
Baranov
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
175
,
100
(
2016
).
20.
N. H.
Ngo
,
H.
Tran
, and
R. R.
Gamache
,
J. Chem. Phys.
136
,
154310
(
2012
).
21.
N. H.
Ngo
,
H.
Tran
,
R. R.
Gamache
,
D.
Bermejo
, and
J.-L.
Domenech
,
J. Chem. Phys.
137
,
064302
(
2012
).
22.
J.-M.
Hartmann
and
C.
Boulet
,
J. Chem. Phys.
134
,
184312
(
2011
).
23.
J.-M.
Hartmann
,
H.
Tran
,
N. H.
Ngo
,
X.
Landsheere
,
P.
Chelin
,
X.
Lu
,
A. W.
Liu
,
S. M.
Hu
,
L.
Gianfrani
,
G.
Casa
,
A.
Castrillo
,
M.
Lepère
,
Q.
Delière
,
M.
Dhyne
, and
L.
Fissiaux
,
Phys. Rev. A
87
,
013403
(
2013
).
24.
E. M.
Mas
,
R.
Bukowski
,
K.
Szalewicz
,
G. C.
Groenenboom
,
P. E. S.
Wormer
, and
A.
van der Avoird
,
J. Chem. Phys.
113
,
6687
(
2000
).
25.
C. S.
Murthy
,
S. E.
O’Shea
, and
L. R.
McDonald
,
Mol. Phys.
50
,
531
(
1983
).
26.
L. J.
Karssemeijer
,
G. A.
de Wijs
, and
H. M.
Cuppen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
15630
(
2014
).
27.
J.-M.
Hartmann
,
C.
Boulet
, and
D.
Jacquemart
,
J. Chem. Phys.
134
,
094316
(
2011
).
28.
C.
Leforestier
,
R. H.
Tipping
, and
Q.
Ma
,
J. Chem. Phys.
132
,
164302
(
2010
).
29.
D.
Spelsberg
and
W.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
101
,
1282
(
1994
).
30.
G.
Maroulis
,
Chem. Phys. Lett.
289
,
403
(
1998
).
31.
A.
Hu
,
D. M.
York
, and
T. K.
Woo
,
J. Mol. Struct.
591
,
255
(
2002
).
32.
V. M.
Devi
,
B.
Fridovich
,
G. D.
Jones
, and
D. G. S.
Snyder
,
J. Mol. Spectrosc.
105
,
61
(
1984
).
33.
C.
Cousin
,
R.
Le Doucen
,
J.-P.
Houdeau
,
C.
Boulet
, and
A.
Henry
,
Appl. Opt.
25
,
2434
(
1986
).
34.
A.
Haskopoulos
and
G.
Maroulis
,
Chem. Phys. Lett.
417
,
235
(
2006
).
35.
L.
Frommhold
,
Collision Induced Absorption in Gases
, Cambridge Monographs on Atomic, Molecular, and Chemical Physics (
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2006
), pp.
191
193
.
36.
J.-M.
Hartmann
,
C.
Boulet
,
H.
Tran
, and
M. T.
Nguyen
,
J. Chem. Phys.
133
,
144313
(
2010
).
37.
H.
Tran
,
C.
Boulet
,
S.
Stefani
,
M.
Snels
, and
G.
Piccioni
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
112
,
925
(
2011
).
38.
J.-M.
Hartmann
,
C.
Boulet
, and
G. C.
Toon
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
122
,
2419
, (
2017
).
39.
J. D.
Poll
and
J. L.
Hunt
,
Can. J. Phys.
54
,
461
(
1976
).
40.
A.
Brown
,
R. H.
Tipping
, and
M.
Maté
,
J. Mol. Spectrosc.
204
,
153
(
2000
).
41.
A.
Brown
and
R. H.
Tipping
,
J. Mol. Spectrosc.
205
,
319
(
2001
).
42.
A.
Brown
, and
R. H.
Tipping
, in
Weakly Interacting Molecular Pairs: Unconventional Absorbers of Radiation in the Atmosphere
, NATO Science Series (Series IV: Earth and Environmental Sciences), edited by
C.
Camy-Peyret
and
A. A.
Vigasin
(
Springer
,
Dordrecht
,
2003
), Vol. 27.
43.
J.
Boissoles
,
R. H.
Tipping
, and
C.
Boulet
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
51
,
615
(
1994
).
44.
L. S.
Rothman
,
I. E.
Gordon
,
Y.
Babikov
,
A.
Barbe
,
D.
Chris Benner
,
P. F.
Bernath
,
M.
Birk
,
L.
Bizzocchi
,
V.
Boudon
,
L. R.
Brown
,
A.
Campargue
,
K.
Chance
,
E. A.
Cohen
,
L. H.
Coudert
,
V. M.
Devi
,
B. J.
Drouin
,
A.
Fayt
,
J. M.
Flaud
,
R. R.
Gamache
,
J. J.
Harrison
,
J. M.
Hartmann
,
C.
Hill
,
J. T.
Hodges
,
D.
Jacquemart
,
A.
Jolly
,
J.
Lamouroux
,
R. J.
Le Roy
,
G.
Li
,
D. A.
Long
,
O. M.
Lyulin
,
C. J.
Mackie
,
S. T.
Massie
,
S.
Mikhailenko
,
H. S. P.
Müller
,
O. V.
Naumenko
,
A. V.
Nikitin
,
J.
Orphal
,
V.
Perevalov
,
A.
Perrin
,
E. R.
Polovtseva
,
C.
Richard
,
M. A. H.
Smith
,
E.
Starikova
,
K.
Sung
,
S.
Tashkun
,
J.
Tennyson
,
G. C.
Toon
,
V. G.
Tyuterev
, and
G.
Wagner
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
130
,
4
(
2013
).
45.
G.
Birnbaum
and
E. R.
Cohen
,
Can. J. Phys.
54
,
593
(
1976
).
46.
J. L.
Hunt
and
J. D.
Poll
,
Can. J. Phys.
56
,
950
(
1978
).
47.
Y. I.
Baranov
,
W. J.
Lafferty
, and
G. T.
Fraser
,
J. Mol. Spectrosc.
233
,
160
(
2005
).
48.
C.
Richard
,
I. E.
Gordon
,
L. S.
Rothman
,
M.
Abel
,
L.
Frommhold
,
M.
Gustafsson
,
J.-M.
Hartmann
,
C.
Hermans
,
W. J.
Lafferty
,
G. S.
Orton
,
K. M.
Smith
, and
H.
Tran
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
113
,
1276
(
2012
).
49.
G.
Moreau
,
J.
Boissoles
,
R.
Le Doucen
,
C.
Boulet
,
R. H.
Tipping
, and
Q.
Ma
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
69
,
245
(
2001
).
50.
A.
Borysow
and
M.
Moraldi
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
3686
(
1992
).
51.
B.
Bussery-Honvault
and
J.-M.
Hartmann
,
J. Chem. Phys.
140
,
054309
(
2014
).
52.
T.
Karman
,
E.
Miliordos
,
K. L. C.
Hunt
,
G. C.
Groenenboom
, and
A.
van der Avoird
,
J. Chem. Phys.
142
,
084306
(
2015
).
53.
M.
Gruszka
and
A.
Borysow
,
Mol. Phys.
93
,
1007
(
1998
).
54.
Y. I.
Baranov
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
112
,
2281
(
2011
).
55.
U.S. Government Printing Office
,
U.S. Standard Atmosphere
(
U.S. Government Printing Office
,
Washington, DC
,
1976
).
56.
M.-Y.
Perrin
and
J.-M.
Hartmann
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
42
,
311
(
1989
).
57.
K.
Sung
,
L. R.
Brown
,
R. A.
Toth
, and
T.
Crawford
,
Can. J. Phys.
87
,
469
(
2009
).
58.
J.-M.
Hartmann
,
H.
Tran
,
R.
Armante
,
C.
Boulet
,
A.
Campargue
,
F.
Forget
,
L.
Gianfrani
,
I.
Gordon
,
S.
Guerlet
,
M.
Gustafsson
,
J.
Hodges
,
S.
Kassi
,
D.
Lisak
,
F.
Thibault
, and
G. C.
Toon
, “
Recent advances in collisional effects on spectra of molecular gases and their practical consequences
,”
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
(submitted).
59.
W. J.
Lafferty
,
A. M.
Solodov
,
A.
Weber
,
W. B.
Olson
, and
J.-M.
Hartmann
,
Appl. Opt.
35
,
5911
(
1996
).
60.
J. B.
Pollack
,
J. B.
Dalton
,
D.
Grinspoon
,
R. B.
Wattson
,
R.
Freedman
,
D.
Crisp
,
D. A.
Allen
,
B.
Bézard
,
C.
DeBergh
,
L. P.
Giver
,
Q.
Ma
, and
R. H.
Tipping
,
Icarus
103
,
1
(
1993
).
61.
L. T.
Elkins-Tanton
,
Earth Planet. Sci. Lett.
271
,
181
(
2008
).
62.
T. L.
Segura
,
O. B.
Toon
,
A.
Colaprete
, and
K.
Zahnle
,
Science
298
,
1977
(
2002
).
63.
R. M.
Ramirez
,
R. K.
Kopparapu
,
V.
Lindner
, and
J. F.
Kasting
,
Astrobiology
14
,
714
(
2014
).
You do not currently have access to this content.