Особенности распространения солнечного излучения в атмосфере во многом определяются ее составом и спецификой взаимодействия излучения с отдельными составляющими. В данном разделе как раз и рассматриваются процессы взаимодействия излучения с основными компонентами атмосферы. Нас, в первую очередь, будут интересовать энергии диссоциации, ионизации и эффективность поглощения излучения в зависимости от длины волны.
Что касается энергии ионизации, то, не вдаваясь в подробности, для большинства рассмотренных молекул ионизация становится возможной под воздействием излучения с длиной волны короче 100 нм. Исключение составляют только молекулы NO, NO2, которые ионизируются и более длинноволновым излучением, и молекула N2, для ионизации которой требуется излучение с длиной волны, меньшей 70 нм.
Энергии диссоциации определяются прочностью химических связей в молекуле: чем прочнее молекула, тем более коротковолновое излучение способно инициировать процесс ее диссоциации. Два крайних случая в ряду прочности связей молекул воздуха – это молекула азота (самая прочная) и молекула озона (пожалуй, самая непрочная).
Коэффициенты поглощения атмосферных составляющих характеризуются бóльшей спецификой, а эффективность поглощения излучения заданной длины волны в атмосфере зависит не только от величины коэффициента поглощения, но и от количества молекул поглотителя. Здесь наблюдается большое разнообразие вариантов. Например, коэффициент поглощения излучения молекулярным кислородом в области вакуумного ультрафиолета весьма незначителен, однако кислорода так много в атмосфере, что солнечное излучение с длинами волн, короче 240 нм, полностью задерживается уже на высотах стратосферы и не достигает поверхности Земли. Другой пример – это атмосферный озон. Озона в атмосфере в миллионы раз меньше, чем молекулярного кислорода. Однако его коэффициент поглощения в области 240-290 нм настолько велик, что солнечное излучение в этой области спектра полностью поглощается озоном и также не доходит до поверхности Земли.
Ионизация начинается с длины волны l=102.7 нм, при этом квантовый выход ионизации hl = 0.2¸1, а при l<60 нм hl = 1. Более-менее стабильная солнечная фотосфера испускает излучение с длиной волны большей 91 нм, а более коротковолновое излучение - это очень изменчивое излучение хромосферы и солнечной короны.
Диссоциация O2 начинается с l<242 нм. Такая длина волны соответствует энергии фотона 5.09 эВ. Хотя сечение поглощения не очень велико, кислорода так много в атмосфере, что излучение на этих длинах волн практически полностью поглощается уже тонким слоем атмосферы при нормальных условиях. Однако в области 102 – 135 нм имеется несколько достаточно глубоких «окон прозрачности» (слабое поглощение). Одно из этих «окон» совпадает с длинной волны La = 121.6 нм излучения атомарного водорода и позволяет солнечному излучению с такой длиной волны проникать достаточно глубоко в атмосферу. В целом область, короче 240 нм, относят к так называемому вакуумному ультрафиолету, получившему название из-за невозможности распространения излучения с такими длинами волн в воздухе при нормальных условиях. Поэтому все лабораторные эксперименты с вакуумным ультрафиолетовым излучением проводятся в вакууммированных камерах.
N2 при l>100 нм дает только очень слабое поглощение. Ионизация начинается с l<70 и hl = 1 практически на всех l. В диапазоне 70<l<100 поглощение может приводить к диссоциации. Энергия диссоциации составляет 7.88 эВ, что намного больше, чем для молекулярного кислорода.
Трехатомная молекула O3 в виде равнобедренного треугольника с углом @104° имеет сильную полосу поглощения в области 200-320 нм с максимумом на 254 нм. В области 320-350 нм имеется более слабое, но ощутимое поглощение.
Считается, что квантовый выход диссоциации озона hn+O3→O+O2 во всем названном диапазоне близок к 1. Однако возможны продукты реакции в различных конечных состояниях. Это оказывается важным для других реакций в атмосфере с участием атомарного и молекулярного кислорода.
Солнечное излучение с l<290 нм не достигает поверхности Земли именно из-за поглощения озоном. Область 295-330 удобна для измерений содержания озона в атмосфере. Имеется также более слабое поглощение в видимой и ближней инфракрасной области спектра с максимумом на 600 нм. Существует также поглощение при l<200 нм, однако оно не играет существенной роли в жизни атмосферы, поскольку на высотах, где в заметных количествах присутствует озон, излучение с такими длинами волн отсутствует, будучи поглощенным вышележащим молекулярным кислородом.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
