Молекулярная спектроскопия Молекулярная спектроскопия
Guest | Паспорт
 Rus | Eng   
Словарь  |  Помощь
Отчет 2008


3.1.  Номер проекта:
08-07-00318
3.2. Название проекта:
Интернет доступная информационная система по молекулярной спектроскопии, основанная на знаниях
3.3. Коды классификатора, соответствующие содержанию фактически проделанной работы:
07-460 Проблемно-ориентированные системы, основанные на знаниях, и экспертные системы
07-410 Проблемно-ориентированные системы, основанные на веб-технологиях
02-340 Спектроскопия
3.4. Объявленные ранее цели проекта:
Общая цель проекта: Создание информационно-вычислительной системы в области молекулярной спектроскопии, основанной на знаниях и представляющей результаты всех стадий создания данных и знаний – от измерений спектральных функций до нахождения фундаментальных спектральных характеристик вещества и от ab initio расчетов уровней энергии вещества до вычисления спектральных функций.

Для достижения цели в плане работ на 2008 г. выделены три задачи: проведение расчетов и систематизация результатов вычислений, проведение экспериментальных работ (вне рамок финансирования гранта) по изучению свойств H2O, CO2, HNCO, SiF4 с последующим размещением результатов исследований в созданной информационной системе и развитие программного обеспечения для сбора и систематизации результатов исследований в области спектроскопии воды и диоксида углерода.

Расчеты. (Объем данных ~ 10 Гб в год)
Теоретические спектры изотопомеров молекулы воды H216O, H217O и H218O в диапазоне 0 – 20000 см-1 для значений квантовых чисел J = 0 – 20. Расчеты будут проведены с использованием полуэмпирической поверхности потенциальной энергии дающей точность близкую к экспериментальной, т.е. 0.02 – 0.04 см-1.
Теоретический спектр HD16O, рассчитанный с практически экспериментальной точностью.

Экспериментальные измерения
1) Данные о спектре молекулы HNCO в мм-субмм диапазоне (3 – 30 см-1) ? точные измерения частот линий спектра.
2) Данные о солнечных спектрах атмосферы в видимом диапазоне
3) Данные о спектрах поглощения изотопов метана и СО2
4) Данные измерений горячих спектров Н2О, D2O
5) Данные об уширении линий атмосферных газов давлением буферных газов N2, O2, Ar, He, Xe, Kr, H2
6) Данные об изотопомерах воды, полученные при выполнении Российско-китайского гранта «Спектроскопия водяного пара в ближней инфракрасной области»
7) Данные о спектре SiF4 в спектральном диапазоне 4500 – 5000 см-1 с разрешением от 0,01 до 0,003 см-1.

Информационные технологии и ресурсы
Построение концептуальной модели на основе анализа формальных понятий.
1) Формирование схемы данных и интерфейсов пользователя таким образом, чтобы на любом уровне работы с данными и для любого значения физической сущности можно было получить ответ на вопрос: Кто автор данных и в какой публикации они были опубликованы?
Построение системы ввода данных спектральной информации в ИВС
«Атмосферная спектроскопия» с предоставлением возможности машинного
поиска по авторам публикаций, в которых эта информация опубликована.
a. Построение системы ввода уровней энергии молекул.
b. Построение системы ввода данных о переходах между уровнями энергии и коэффициентов Эйнштейна.
c. Построение системы ввода параметров спектральных линий.
d. Построение системы ввода экспериментальных данных с Фурье спектрометра Язык разработки интерфейса PHP, при загрузке данных используется XML, позволяющий отслеживать структуру вводимых данных и ограничения на них. Язык, используемый для разметки метаданных, OWL.
2) Формирование базы данных, состоящей из четырех физически значимых частей: уровней энергии молекул, переходов, разрешенных в молекуле (безотносительно к значению температуры), параметров контура спектральной линии (для ряда значений температуры) и экспериментальных измерений спектральных функций. Составление xml и rdf-схем, описывающих данные всех задач, относящихся к рабочим потокам в ИВС.
3) Создание системы ввода данных, позволяющей основным группам спектроскопистов, как в России, так и за рубежом с помощью веб-интерфейса, проводить заполнение базы данных соответствующими экспериментальными и расчетными данными, а экспертам создавать экспертные источники данных.
Загрузка полуширин спектральных линий молекулы воды ( > 20 000 000 значений)
Загрузка экспериментальных данных, полученных на Фурье спектрометре.
4) Разработка метаданных и процедуры генерации знаний (метаданных в формате OWL для фактов (индивидуалов классов) и таксономий для их систематизации) для Фурье-спектрометров.
3.5. Степень выполнения поставленных в проекте задач:
Все три поставленные задачи были решены.
Собраны результаты решений прямых задач по спектроскопии воды и диоксида углерода.
Собраны результаты решений обратных задач по спектроскопии воды и диоксида углерода, молекулы изоциановой кислоты и др..
Создан прототип информационной системы состоящей из трех слоев (слой данных и вычислений, слой метаданных и слой онтологий).

Проведенные с экспериментальной точностью расчеты спектральных характеристик изотопомеров воды H216O, H217O, H218O [1], D216O [2] и HD16O помещены в ИВС W@DIS (http://wadis.saga.iao.ru). Ссылками выделены результаты опубликованных работ участников проекта в 2008 г..
Загружены столкновительные полуширины и сдвиги давлением сильных спектральных линий молекулы воды (> 400 000 значений) [3]. Расчет проводился для линий с интенсивностью большей 10-28 см-1/атм.

Экспериментальные измерения
К числу собранных в ИВС ресурсов относятся спектр молекулы HNCO в мм-субмм диапазоне (3 – 30 см-1) ? точные измерения частот линий спектра. В работе [4] были проведены лабораторные исследования вращательного спектра молекулы HNCO в основном колебательном состоянии. Удалось достигнуть точности предсказания в пересчете к доплеровской шкале скоростей 0.5–2 м/с для всех частот <1.1 ТГц в Ka = 0, 1.
Данные о солнечных спектрах атмосферы в видимом диапазоне подготовлены для занесения в раздел ИВС ориентированный на хранение экспериментальных спектров (Задача ЕТ [5])
Создана система и занесены первые данные по спектральным параметрам молекулы СО2 и ее изотопомерам (ИВС в С.Петербургском университете (http://saga.molsp.phys.spbu.ru/))
Опубликованы и занесены в ИВС W@DIS данные измерений горячих спектров Н2О [6] и D2O
Занесены данные об уровнях энергии и переходах изотопомера воды D218O, полученные при выполнении Российско-китайского гранта «Спектроскопия водяного пара в ближней инфракрасной области» [7]
Начаты работы по формированию схем данных и метаданных, связанных со спектром SiF4 в спектральном диапазоне 4500 – 500 см-1 с разрешением от 0,01 до 0,003 см-1.

Информационные технологии и ресурсы
Построена прикладная онтология спектроскопии воды и диоксида углерода содержащая более 200000 утверждений и более сотни классов и свойств.
Построена системы ввода данных спектральной информации в ИВС W@DIS и CaD@DIS с предоставлением возможности семантического машинного поиска в прикладной онтологии задач спектроскопии воды и диоксида углерода.
a. Построена система ввода уровней энергии молекул воды.
b. Построена система ввода данных о переходах между уровнями энергии и коэффициентов Эйнштейна для молекулы воды [8] и диоксида углерода.
c. Построена система ввода параметров спектральных линий для молекулы воды и диоксида углерода [9].
d. Спроектирована и реализована система ввода экспериментальных данных с Фурье спектрометра.
2) Созданы базы данных, включающие четыре физически значимых части: уровни энергии молекул, переходы, разрешенные в молекуле (безотносительно к значению температуры), параметры контура спектральной линии (для ряда значений температуры) и экспериментальные измерения спектральных функций [10]. Составлены xml-схемы, описывающие данные всех задач загрузки данных для молекул для молекулы воды и углекислого газа.
3) Создана системы ввода данных, позволяющая основным группам спектроскопистов, как в России, так и за рубежом с помощью веб-интерфейса, проводить заполнение базы данных соответствующими экспериментальными и расчетными данными.
4) Разработаны схемы метаданных и процедуры генерации знаний (метаданных в формате OWL для фактов (индивидов классов) и таксономий для их систематизации) для Фурье-спектрометров.

1. Sergei V. Shirin, Nikolay F. Zobov, Roman I. Ovsyannikov, Oleg L. Polyansky, Jonathan Tennyson, Water line lists close to experimental accuracy using a spectroscopically determined potential energy surface for H216O, H217O, and H218O, Journal of Chemical Physics, 2008, v.128, p.224306
2. Sergei V. Shirin, Nikolay F. Zobov, Oleg L. Polyansky, Theoretical line list of D216O up to 16,000 cm-1 with an accuracy close to experimental, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2008, v.109, p.549–558.
3. A.D. Bykov, N.N. Lavrentieva, T.P. Mishina, L.N. Sinitsa, R.J. Barber,R.N. Tolchenov, J. Tennyson, Water vapor line width and shift calculations with accurate vibration–rotation wave functions. // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiation Transfer, 2008, v. 109, p. 1834-1844.
4. А. В. Лапинов, Г.Ю. Голубятников, В. Н. Марков, А. Гварнери, ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 33,№2, с. 143–152
5. A.D.Bykov, A.Z.Fazliev, N.N.Filippov, A.V. Kozodoev, A.I.Privezentsev,, L.N.Sinitsa, M.V.Tonkov, M.Yu.Tretyakov, Distributed information system on atmospheric spectroscopy, Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, 01906, 2007 SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2007-A-01906
6. Nikolai F. Zobov, Sergei V. Shirin, Roman I. Ovsyannikov, Oleg L. Polyansky, Robert J. Barber, Jonathan Tennyson, Peter F. Bernath, Michel Carleer, Reginald Colin, Pierre-Francois Coheur, Spectrum of hot water in the 4750–13 000 cm-1 wavenumber range (0.769–2.1 mcm), Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2008, v.387, p.1093–1098.
7. Ni H.-Y., Liu A.-W., Song K.-F., Hu S.-M., Naumenko O.V., Kruglova T.V., Tashkun S.A. High-resolution spectroscopy of the triple-substituted isotopologue of water D218O: the first triad // Molecular Physics. 2008. V.106. P.1793-1801.
8. Лаврентьев Н.А., Привезенцев А.И., Фазлиев А.З., Информационная система для решения задач молекулярной спектроскопии. 4. Переходы в молекулах симметрии C2v и Cs, Оптика атмосферы и океана, 2008, т.21, №11, c.957-962
9. Привезенцев А.И., Фазлиев А.З., Применение семантических метаданных для систематизации информационных ресурсов в молекулярной спектроскопии, Труды XIII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», часть 2, Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2008, с. 171-176.
10. Козодоев А.В. Козодоева Е.М. Привезенцев А.И., Фазлиев А.З., Система ввода и обмена данными в распределенной информационной системе "Молекулярная спектроскопия", Труды XIII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», часть 2, Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2008, с. 156-162.
3.6. Полученные за отчетный период важнейшие результаты:
1. Собрана совместно с группой IUPAС [1] наиболее полная коллекция источников информации о молекуле воды и ее изотопомерах, включающая в себя решения основных обратных задач спектроскопии молекулы воды (более 400 источников). Решения обеспечены метаданными, указывающими на авторство и достоверность решений.
2. Впервые создана база знаний по решениям обратных и прямых задач о параметрах молекулы воды и ее изотопомеров. Результаты работы представлены в приглашенном докладе на конференции HITRAN Database Conference [2] и монографии [3].
3. Создана система загрузки решений задач спектроскопии воды и углекислого газа [4, 5]. Система основана на библиотеке скриптов, обрабатывающих формируемые при вводе XML-документы.
4. Занесена в систему библиография по спектральным свойствам молекулы диоксида углерода и решения задач определения параметров спектральных линий и переходов. Общий объем данных в записях превышает 10 000 000.
5. Построены прикладные онтологии решений задач и их свойств в спектроскопии воды и диоксида углерода. Основным объектом исследования является источник информации о решении задачи и его свойствах. Число фактов в прикладной онтологии превышает 200 000.

1. Jonathan Tennyson, Peter F. Bernath, Linda R. Brown, Alain Campargue, Michel R. Carleer, Attila G. Csaszar, Robert R. Gamache, Joseph T. Hodges, Alain Jenouvrier, Olga V. Naumenko, Oleg L. Polyansky, Laurence S. Rothman, Robert A. Toth, Ann Carine Vandaele, Nikolai F. Zobov, Ludovic Daumont, Alexander Z. Fazliev, Tibor Furtenbacher, Iouli F. Gordon, Semen N. Mikhailenko, Sergei V. Shirin, Boris A. Voronin, IUPAC Critical Evaluation of the Rotational-Vibrational Spectra of Water Vapor. Part I. Energy Levels and Transition Wavenumbers for H217O and H218O, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiation Transfer, (in press)
2. A.Z.Fazliev, A.G. Csaszar, J. Tennyson, W@DIS: Water spectroscopy with a Distributed Information System, Proc. of the 10 HITRAN Database Conference, 2008, p.38-39
3. Быков А.Д., Науменко О.В., Родимова О.Б., Синица Л.Н., Творогов С.Д., Тонков М.В., Фазлиев А.З., Филиппов Н.Н., Информационные аспекты молекулярной спектроскопии, Томск, Из-во ИОА СО РАН, 2008, 356с.
4. Козодоев А.В. Козодоева Е.М. Привезенцев А.И., Фазлиев А.З., Система ввода и обмена данными в распределенной информационной системе "Молекулярная спектроскопия", Труды XIII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», часть 2, Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2008, с. 156-162.
5. Привезенцев А.И., Фазлиев А.З., Применение семантических метаданных для систематизации информационных ресурсов в молекулярной спектроскопии, Труды XIII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», часть 2, Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2008, с. 171-176.

3.7. Степень новизны полученных результатов:
Представленные в ИВС W@DIS расчетные данные по изотопомерам молекулы воды (H217O, H218O, D216O и HD16O) содержат значения ранее не представленные в наиболее известных базах данных. Экспериментальные значения параметров спектральных линий H217O, H218O, D216O, D218O и HD16O, HNCO и OCS содержащиеся в ИВС относятся к работам 2008 года.
Новизна полученных результатов в построении ИВС связана с организацией данных и метаданных, позволяющих проводить логические выводы, используя источники информации о решениях и свойствах решений задач спектроскопии.
Впервые создана ИВС коллективного пользования в которой добавление любых решений задач молекулярной спектроскопии приводит к автоматическому вычислению значений ограничений, указывающих на достоверность источников информации и расчету среднеквадратических отклонений между всеми решениями задач хранящихся в базе данных и знаний.
Впервые проведен компьютерный анализ всех решений задач спектроскопии воды на достоверность.
3.8. Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем:
Работы по формированию информационных систем в области атомарной и молекулярной спектроскопии проводятся уже более 30 лет. За это время созданы и актуализируются массивы данных в разных организациях США, Европы и России [1-13]. Первые объединенные усилия по созданию доступных в сети Интернет спектральных данных в Европе были предприняты в рамках проекта, приведшего к созданию международной виртуальной обсерватории. В США объединенных проектов не было, но банк данных Hitran во многом определяет направления развития прикладной атмосферной спектроскопии, а база данных спектров атомов, развиваемая в Национальном институте стандартов, является образцом для подражания. В России объединительным проектом являлся проект РФФИ (Быков А.Д., Распределенная информационная система “Молекулярная спектроскопия”) приведший к созданию распределенной информационной системе с узлами в Томске, С.Петербурге и Нижнем Новгороде. В начале 2009 г. получил поддержку проект Virtual Atomic and Molecular Data Center 7 Рамочной программы. В проекте запланировано в качестве одного из вариантов инструмента публикации данных и информации использовать результаты работ, выполненных в рамках текущего проекта и проекта РФФИ «Распределенная информационная система “Молекулярная спектроскопия”».
Спектроскопические данные разделяют на данные относящиеся к атомарным [1, 2, 7, 13] и молекулярным спектрам [3, 4-6, 8-12]. Во всех перечисленных выше информационных системах реализован только слой данных и вычислений. Другими словами, эти системы содержат только базы данных и приложения для обработки и представления данных. Существует проблема интеграции данных в единую систему, для решения которой предлагаются основанные на идеологии XML языки описания спектральных данных. В нашем проекте инструмент интеграции ресурсов основан на прикладных онтологиях.
В ИВС W@DIS и CaD@DIS, развиваемой в данном проекте, реализованы все три слоя модели информационной системы, т.е. наряду со слоем данных, создан слой метаданных и онтологий. Впервые построена информационная система, в которой автоматически формируется база знаний свойств решений спектроскопических задач, позволяющая характеризовать достоверность предоставляемых пользователю данных на полном наборе опубликованных статей по спектроскопии воды. В части сбора данных работа выполнена совместно с группой реализующей проект IUPAC [14].

1. The Vienna Atomic Line Database (VALD)
http://www.univie.ac.at/asap/main.php
2. An Atomic Database for Spectroscopic Diagnostics of Astrophysical Plasmas.
http://wwwsolar.nrl.navy.mil/chianti.html
3. Holger S.P. Muller, Frank Schloder, Jurgen Stutzki, Gisbert Winnewisser The Cologne Database for Molecular Spectroscopy, CDMS:a useful tool for astronomers and spectroscopists Journal of Molecular Structure 742 (2005) 215–227
4. RO-VIBRATIONAL COLLISIONAL EXCITATION Database and Utilities
http://basecol.obspm.fr

5. B. Schmitt, P. Volcke, V. Gouan?re, E. Quirico, N. Fray, A. Pommerol, STSP: data bases of Spectroscopy and Thermodynamics of Planetary Solids, EPSC Abstracts, Vol. 3, EPSC2008-A-00560, 2008
6. M. S. Dimitrievic, L. C. Popovic, E. Bon, V. Bajceta, P. Jovanovic and N. Milovanovic, DATABASE BelData: PRESENT STATE AND PLANS FOR FUTURE DEVELOPMENT http://adsabs.harvard.edu/abs/2000IAUJD...1E..33P
7. TIPTOPbase, database service implemented to access the atomic data
http://cdsweb.u-strasbg.fr/topbase/home.html
8. The Carbon Dioxide Spectroscopic Databank (CDSD)
http://cdsd.iao.ru and ftp://ftp.iao.ru/pub/CDSD-2008
9. Spectroscopy & Molecular properties of Ozone
http://ozone.iao.ru
10. Spectroscopy of Atmospheric Gases
http://spectra.iao.ru
11. Spectral properties of hot combustion gases
http://spechot.iao.ru
12. HITRAN Database
http://cfa-www.harvard.edu/HITRAN
13. NIST Atomic Databases
http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/index.html
14. IUPAC project No.2004-035-1-100 “A database of water transitions from experiment and theory”
http://www.iupac.org/web/ins/2004-035-1-100
3.9. Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта:
Достижение цели проекта возможно лишь при совместной работе спектроскопистов с создателями информационной системы. В совместной работе задачами спектроскопистов является предоставление данных (измерения и расчеты) и экспертная помощь при формировании наборов метаданных, характерных для процедур вычислений и измерений. Задачами создателей информационно-вычислительной системы (ИВС) являются задачи формирования и анализа формальных понятий молекулярной спектроскопии и разделение их по функциональным признакам на данные и метаданные, задачи организации потока работ в ИВС и интерфейсов пользователя.
Новизна результатов измерений и расчетов обусловлена выбором молекул, спектральных интервалов для их исследования и степенью точности измерений и расчетов. Для расчетов используются вариационный метод, а при измерениях используются последние модификации фурье-спектрометров (ИОА СО РАН и ИПФ РАН) и модифицированный спектрометр РАД.
Информационная система построена в рамках 3-х слойной модели. Слой знаний построен с помощью языка представления знаний OWL. Для проверки состоятельности логической теории логических выводов используется машина вывода FACT++.


Грант INTAS 00-189