In this work, we report calculated vibrational energy levels of the methane molecule up to 10 300 cm−1. Two potential energy surfaces constructed in quite different coordinate systems with different analytical representations are employed in order to evaluate the uncertainty of vibrational predictions. To calculate methane energy levels, we used two independent techniques of the variational method. One method uses an exact kinetic energy operator in internal curvilinear coordinates. Another one uses an expansion of Eckart-Watson nuclear motion Hamiltonian in rectilinear normal coordinates. In the Icosad range (up to five vibrational quanta bands–below 7800 cm−1), the RMS standard deviations between calculated and observed energy levels were 0.22 cm−1 and 0.41 cm−1 for these two quite different approaches. For experimentally well-known 3v3 sub-levels, the calculation accuracy is estimated to be ∼1 cm−1. In the Triacontad range (7660-9188 cm−1), the average error of the calculation is about 0.5 cm−1. The accuracy and convergence issues for higher energy ranges are discussed.

1.
G. C.
Rhoderick
and
W. D.
Dorko
,
Environ. Sci. Technol.
38
,
2685
2692
(
2004
).
2.
D. T.
Allen
,
V. M.
Torres
,
J.
Thomas
 et al,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
17768
17773
(
2013
).
3.
D. R.
Caulton
,
P. B.
Shepson
,
R. L.
Santoro
 et al,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
6237
6242
(
2014
).
4.
K.
McKain
,
A.
Down
,
S. M.
Raciti
 et al,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
1941
1946
(
2015
).
5.
M. A. K.
Khalil
,
M. J.
Shearer
, and
R. A.
Rasmussen
, in
Methane Sinks Distribution in Atmospheric Methane: Sources, Sinks, and Role in Global Change
, edited by
M. A. K.
Khalil
(
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
1993
).
6.
G.
Tinetti
,
T.
Encrenaz
, and
A.
Coustenis
,
Astron. Astrophys. Rev.
21
,
63
(
2013
).
7.
M.
Hirtzig
 et al,
Icarus
226
,
470
486
(
2013
).
9.
P. F.
Bernath
,
Philos. Trans. R. Soc., A
372
,
20130087
(
2014
).
10.
J.
Tennyson
and
S. N.
Yurchenko
,
Mol. Astrophys.
8
,
1
18
(
2017
).
11.
M. R.
Swain
,
P.
Deroo
,
C. A.
Griffith
,
G.
Tinetti
 et al,
Nature
463
,
637
(
2010
).
12.
J. I.
Moses
,
C.
Visscher
,
J. J.
Fortney
 et al,
Astrophys. J.
737
,
15
(
2011
).
13.
R.
Hu
and
S.
Seager
,
Astrophys. J.
784
,
63
(
2014
).
14.
B.
Macintosh
,
J. R.
Graham
, and
T.
Barman
,
Science
350
,
64
67
(
2015
).
15.
B. R.
Oppenheimer
,
S. R.
Kulkarni
,
K.
Matthews
, and
T.
Nakajima
,
Science
270
,
1478
(
1995
).
16.
S. K.
Legget
,
M. S.
Marley
,
R.
Freedmann
 et al,
Astrophys. J.
667
,
537
(
2007
).
17.
T.
Nakajima
,
T.
Tsuji
, and
K.
Yanagissawa
,
Astrophys. J.
561
,
L119
(
2001
).
18.
M. C.
Cushing
,
J. D.
Kirkpatrick
,
C. R.
Gelino
 et al,
Astrophys. J.
743
,
50
(
2011
).
19.
H.
Partridge
and
D. W.
Schwenke
,
J. Chem. Phys.
106
,
4618
4639
(
1997
).
20.
O. L.
Polyansky
,
N. F.
Zobov
,
S.
Viti
,
J.
Tennyson
,
P. F.
Bernath
, and
L.
Wallace
,
Science
277
,
346
348
(
1997
).
21.
J.
Tennyson
,
P.
Barletta
,
M. A.
Kostin
,
O. L.
Polyansky
, and
N. F.
Zobov
,
Spectrochim. Acta, Part A
58
,
663
(
2002
).
22.
O.
Polyansky
,
R.
Ovsyannikov
,
A.
Kyuberis
,
L.
Lodi
,
J.
Tennyson
, and
N.
Zobov
,
J. Phys. Chem. A
117
(
117
),
9633
9643
(
2013
).
23.
X.
Huang
,
D. W.
Schwenke
,
S. A.
Tashkun
 et al,
J. Chem. Phys.
136
,
124311
(
2012
).
24.
X.
Huang
,
R. S.
Freedman
,
S. A.
Tashkun
,
D. W.
Schwenke
, and
T. J.
Lee
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
139
,
134
146
(
2013
).
25.
O.
Polyansky
,
K.
Bielska
,
M.
Ghysels
,
L.
Lodi
,
N.
Zobov
,
J.
Hodges
, and
J.
Tennyson
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
243001
(
2015
).
26.
T.
Cours
,
P.
Rosmus
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Chem. Phys.
117
,
5192
(
2002
).
27.
A. A.
Azzam
,
L.
Lodi
,
S. N.
Yurchenko
, and
J.
Tennyson
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
161
,
41
49
(
2015
).
28.
D. W.
Schwenke
,
T. J.
Lee
, and
X. C.
Huang
,
J. Chem. Phys.
140
,
114311
(
2014
).
29.
R.
Dawes
,
P.
Lolur
,
J.
Ma
, and
H.
Guo
,
J. Chem. Phys.
135
,
081102
(
2011
).
30.
V. G.
Tyuterev
,
R. V.
Kochanov
,
A.
Campargue
,
S.
Kassi
,
D.
Mondelain
, and
A.
Barbe
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
143002
(
2014
).
31.
D.
Lapierre
,
A.
Alijah
,
R.
Kochanov
,
V.
Kokoouline
, and
V.
Tyuterev
,
Phys. Rev. A
94
,
042514
(
2016
).
32.
X.
Huang
,
D. W.
Schwenke
, and
T. J.
Lee
,
J. Chem. Phys.
134
,
044320
(
2011
).
33.
S. N.
Yurchenko
,
R. J.
Barber
,
A.
Yachmenev
,
W.
Thiel
,
P.
Jensen
, and
J.
Tennyson
,
J. Phys. Chem. A
113
,
11845
11855
(
2009
).
34.
S. N.
Yurchenko
,
M.
Carvajal
,
W.
Thiel
, and
P.
Jensen
,
J. Mol. Spectrosc.
239
,
71
87
(
2006
).
35.
C.
Sousa-Silva
,
S. N.
Yurchenko
, and
J.
Tennison
,
J. Mol. Spectrosc.
288
,
28
36
(
2013
).
36.
A. V.
Nikitin
,
M.
Rey
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Mol. Spectrosc.
305
,
40
47
(
2014
).
37.
A.
Owens
,
S. N.
Yurchenko
,
A.
Yachmenev
,
J.
Tennyson
, and
W.
Thiel
,
J. Chem. Phys.
142
,
244306
(
2015
).
38.
A.
Owens
,
S. N.
Yurchenko
,
A.
Yachmenev
, and
W.
Thiel
,
J. Chem. Phys.
143
,
244317
(
2015
).
39.
T.
Delahaye
,
A.
Nikitin
,
M.
Rey
,
P.
Szalay
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Chem. Phys.
141
,
104301
(
2014
).
40.
J.
Li
,
S.
Carter
,
J. M.
Bowman
,
R.
Dawes
,
D.
Xie
, and
H.
Guo
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
2364
2369
(
2014
).
41.
J.-P.
Champion
,
M.
Loete
, and
G.
Pierre
, in
Spectroscopy of the Earth’s Atmosphere and Interstellar Medium
edited by
K. N.
Rao
and
A.
Weber
(
Academic Press
,
San Diego
,
1992
).
42.
J. P.
Champion
,
J. C.
Hilico
, and
L. R.
Brown
,
J. Mol. Spectrosc.
133
,
244
255
(
1989
).
43.
B. I.
Zhilinskii
,
V. I.
Perevalov
, and
V. G.
Tyuterev
,
Method of Irreducible Tensorial Operators in the Theory of Molecular Spectra
(
Nauka
,
Novosibirsk
,
1987
) (in Russian).
44.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
, and
V. G.
Tyuterev
,
Astrophys. J.
789
,
2
(
2014
).
45.
S. N.
Yurchenko
and
J.
Tennyson
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
440
,
1649
1661
(
2014
).
46.
S. N.
Yurchenko
,
D. S.
Amundsen
,
J.
Tennyson
, and
I. P.
Waldmann
,
Astron. Astrophys.
605
,
A95
(
2017
).
47.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
, and
V. G.
Tyuterev
,
Astrophys. J.
847
,
105
(
2017
).
48.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
, and
V. G.
Tyuterev
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
10049
10061
(
2013
).
49.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
,
B.
Bézard
,
P.
Rannou
,
A.
Coustenis
, and
V. G.
Tyuterev
,
Icarus
303
,
114
130
(
2018
).
50.
J.
Thievin
,
R.
Georges
,
S.
Carles
,
B.
Abdessamad
,
B.
Rowe
, and
J. P.
Champion
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
109
,
2027
(
2008
).
51.
R. J.
Hargreaves
,
C. A.
Beale
,
L.
Michaux
,
M.
Irfan
, and
P. F.
Bernath
,
Astrophys. J.
757
,
46
(
2012
).
52.
B. P. F.
Hargreaves
,
J.
Bailey
, and
M.
Dulick
,
Astrophys. J.
813
,
1
(
2015
).
53.
B.
Amyay
,
A.
Gardez
,
R.
Georges
,
L.
Biennier
,
J.
Vander Auwera
,
C.
Richard
, and
V.
Boudon
,
J. Chem. Phys.
148
,
134306
(
2018
).
54.
S. N.
Yurchenko
,
J.
Tennyson
,
J.
Bailey
,
M. D. J.
Hollis
, and
G.
Tinetti
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
9379
9383
(
2014
).
55.
J.
Tennyson
,
S. N.
Yurchenko
 et al,
J. Mol. Spectrosc.
327
,
73
94
(
2016
).
56.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
,
Y.
Babikov
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Mol. Spectrosc.
327
,
138
158
(
2016
).
57.
C.
Wenger
and
J.-P.
Champion
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
59
,
471
(
1998
).
58.
V. G.
Tyuterev
,
S. A.
Tashkun
,
M.
Rey
,
R. V.
Kochanov
,
A. V.
Nikitin
,
T.
Delahaye
,
J. Phys. Chem.
117
,
13779
13805
(
2013
).
59.
S.
Albert
,
S.
Bauerecker
,
V.
Boudon
,
L. R.
Brown
,
J.-P.
Champion
,
M.
Loete
,
A. V.
Nikitin
, and
M.
Quack
,
Chem. Phys.
358
,
131
146
(
2009
).
60.
A. V.
Nikitin
,
V.
Boudon
,
Ch.
Wenger
,
S.
Albert
,
L. R.
Brown
,
S.
Bauerecker
, and
M.
Quack
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
10071
10093
(
2013
).
61.
L.
Daumont
 et al,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
116
,
101
109
(
2013
).
62.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
164
,
207
220
(
2015
).
63.
Y. A.
Ba
 et al,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
130
,
62
68
(
2013
).
64.
B.
Amyay
,
M.
Louviot
,
O.
Pirali
,
R.
Georges
,
J.
Vander Auwera
, and
V.
Boudon
,
J. Chem. Phys.
144
,
024312
(
2016
).
65.
B.
Amyay
,
A.
Gardez
,
R.
Georges
,
L.
Biennier
,
J.
Vander Auwera
,
C.
Richard
, and
V.
Boudon
,
J. Chem. Phys.
148
,
169902
(
2018
).
66.
A. V.
Nikitin
,
X.
Thomas
,
L.
Regalia
,
L.
Daumont
,
P.
Von der Heyden
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
112
,
28
40
(
2011
).
67.
A. V.
Nikitin
,
M.
Rey
,
S. A.
Tashkun
,
S.
Kassi
,
D.
Mondelain
,
A.
Campargue
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
168
,
207
216
(
2016
).
68.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Chem. Phys.
136
,
244106
(
2012
).
69.
X.-G.
Wang
and
T.
Carrington
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
121
,
2937
2954
(
2004
).
70.
X. G.
Wang
and
T.
Carringhton
,
J. Chem. Phys.
118
,
6260
(
2003
).
71.
X.-G.
Wang
and
T.
Carrington
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
138
,
104106
(
2013
).
72.
H.-G.
Yu
,
J. Chem. Phys.
117
,
2030
2037
(
2002
).
73.
P.
Cassam-Chenai
,
Y.
Bouret
,
M.
Rey
,
S. A.
Tashkun
,
A. V.
Nikitin
, and
V. G.
Tyuterev
,
Int J. Quantum Chem.
112
,
2201
2220
(
2012
).
74.
S.
Carter
,
A. R.
Sharma
, and
J. M.
Bowman
,
J. Chem. Phys.
137
,
154301
(
2012
).
75.
H.-G.
Yu
,
J. Chem. Phys.
121
,
6334
6340
(
2004
).
76.
Z.
Zhao
,
J.
Chen
,
Z.
Zhang
,
D. H.
Zhang
,
X.-G.
Wang
,
T.
Carrington
, Jr.
, and
F.
Gatti
,
J. Chem. Phys.
148
,
074113
(
2018
).
77.
S. N.
Yurchenko
,
W.
Thiel
, and
P.
Jensen
,
J. Mol. Spectrosc.
245
,
126
140
(
2007
).
78.
E.
Matyus
,
J.
Simunek
, and
A.
Csaszar
,
J. Chem. Phys.
131
,
074106
(
2009
).
79.
S. N.
Yurchenko
,
A.
Yachmenev
, and
R. I.
Ovsyannikov
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
4368
4381
(
2017
).
80.
A.
Yachmenev
and
S. N.
Yurchenko
,
J. Chem. Phys.
143
,
014105
(
2015
).
81.
L. R.
Brown
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
96
,
251
270
(
2005
).
82.
S.
Béguier
,
A. W.
Liu
, and
A.
Campargue
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
166
,
6
12
(
2015
).
83.
D. N.
Kozlov
,
D. A.
Sadovskii
, and
P. P.
Radi
,
J Mol. Spectrosc.
291
,
23
32
(
2013
).
84.
N.
Bowles
,
R.
Passmore
,
K.
Smith
,
G.
Williams
,
S.
Calcutt
, and
P. G. J.
Irwin
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
113
,
763
782
(
2012
).
85.
T. J.
Lee
,
J. M. L.
Martin
, and
P. R.
Taylor
,
J. Chem. Phys.
102
,
254
261
(
1995
).
86.
R.
Marquardt
and
M.
Quack
,
J. Phys. Chem.
108
,
3166
3181
(
2004
).
87.
D. W.
Schwenke
and
H.
Partridge
,
Spectrochim. Acta, Part A
57
,
887
895
(
2001
).
88.
C.
Oyanagi
,
K.
Yagi
,
T.
Taketsugu
, and
K.
Hirao
,
J. Chem. Phys.
124
,
064311
(
2006
).
89.
M.
Majumder
,
S. E.
Hegger
,
R.
Dawes
,
S.
Manzhos
,
X.-G.
Wang
,
T.
Carrington
, Jr.
,
J.
Lid
, and
H.
Guo
,
Mol. Phys.
113
,
1823
1833
(
2015
).
90.
X.-G.
Wang
and
T.
Carrington
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
141
,
154106
(
2014
).
91.
A.
Owens
,
S. N.
Yurchenko
,
A.
Yachmenev
,
J.
Tennyson
, and
W.
Thiel
,
J. Chem. Phys.
145
,
104305
(
2016
).
92.
A. V.
Nikitin
,
M.
Rey
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Chem. Phys.
145
,
114309
(
2016
).
93.
L.
Halonen
and
M. S.
Child
,
Mol. Phys.
46
,
239
255
(
1982
).
94.
O. N.
Ulenikov
,
E. S.
Bekhtereva
,
S.
Albert
,
S.
Bauerecker
,
H. M.
Niederer
, and
M.
Quack
,
J. Chem. Phys.
141
,
234302
(
2014
).
95.
A. V.
Nikitin
,
M.
Rey
, and
V. G.
Tyuterev
,
Chem. Phys. Lett.
501
,
179
186
(
2011
).
96.
J. K. G.
Watson
,
Mol. Phys.
15
,
479
(
1968
).
97.
A. V.
Nikitin
,
M.
Rey
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Chem. Phys.
142
,
094118
(
2015
).
98.
W.
Hart
, see http://www.mpir.org for description of MPIR package.
99.
A. E.
Protasevich
and
A. V.
Nikitin
,
Mol. Phys.
116
,
44
53
(
2018
).
100.
A.
Campargue
,
O.
Leshchishina
,
L.
Wang
,
D.
Mondelain
, and
S.
Kassi
,
J. Mol. Spectrosc.
291
,
16
22
(
2013
).
101.
M.
Rey
,
A. V.
Nikitin
,
A.
Campargue
,
S.
Kassi
,
D.
Mondelain
, and
V. G.
Tyuterev
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
176
189
(
2016
).
102.
S.
Béguier
,
S.
Kassi
, and
A.
Campargue
,
J. Mol. Spectrosc.
208
,
1
5
(
2015
).
103.
G.
Pierre
,
J.-C.
Hilico
,
C.
de Bergh
, and
J.-P.
Maillard
,
J. Mol. Spectrosc.
82
,
379
393
(
1980
).
104.
A.
De Martino
,
R.
Frey
, and
F.
Pradère
,
Mol. Phys.
55
,
731
749
(
1985
).
105.
A.
De Martino
,
R.
Frey
, and
F.
Pradere
,
Chem. Phys. Lett.
111
,
113
116
(
1984
).
106.
M.
Chevalier
and
A.
De Martino
,
Chem. Phys. Lett.
135
,
446
450
(
1987
).
107.
A.
Campargue
,
D.
Jost
, and
R.
Permogorov
,
J. Chem. Phys.
102
,
5910
5916
(
1995
).
108.
K.
Boraas
,
Z.
Lin
, and
J. P.
Reilly
,
J. Chem. Phys.
100
,
7916
7927
(
1994
).
109.
G.
Herzberg
,
Infrared and Raman Spectra
(
Van Nostrand Company
,
New York, USA
,
1945
).
110.
A. V.
Nikitin
,
M.
Rey
, and
V. G.
Tyuterev
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
200
,
90
99
(
2017
).
111.
A.
Campargue
,
O.
Leshchishina
,
D.
Mondelain
,
S.
Kassi
, and
A.
Coustenis
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
118
,
49
59
(
2013
).
112.
A. V.
Nikitin
,
M.
Rey
, and
V. G.
Tyuterev
,
Chem. Phys. Lett.
565
,
5
11
(
2013
).
113.
E.
Karkoschka
and
M. G.
Tomasko
,
Icarus
205
,
674
694
(
2010
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.