Взаимодействие солнечного излучения с атмосферой, страница 2

Здесь  - полная оптическая толщина на пути излучения,  - плотность потока падающего излучения на передней границе слоя.

4.2. Квантовый выход реакции, коэффициент скорости фотолиза

Поглощение излучения атомом или молекулой осуществляется порциями (в соответствии с представлением об излучении как потоке частиц – фотонов) и может приводить к ионизации или переходу в возбужденное состояние. Последнее может оказаться неустойчивым по отношению к диссоциации молекулы на отдельные составляющие.

Для того, чтобы добиться диссоциации или ионизации, поглощаемые фотоны должны обладать достаточной энергией (то есть, длина волны излучения должны быть достаточно короткой). Это условие для каждого сорта молекул свое. Однако, даже если оно выполнено, молекула не всегда распадается на составляющие после поглощения кванта излучения (фотона). Часто возможны и некоторые другие пути «использования» энергии возбуждения (испускание излучения, превращение избытка энергии в тепловую энергию движения и т.п.). Поэтому вероятность получения нужного результата характеризуется так называемым квантовым выходом . Очевидно, что в общем случае квантовый выход интересующего нас события зависит от энергии поглощенного фотона, то есть,.

В качестве примера рассмотрим фотолиз молекулы A в результате поглощения  фотона частоты ν энергии  ( - постоянная Планка):

                    A + hn→ b+C.

Пусть на поверхность среды падает перпендикулярно излучение со спектральной плотностью потока Eλ  (мощность излучения, падающего перпендикулярно на единичную площадку в единичном спектральном интервале около длины волны λ).  Чтобы определить число фотонов , поглощаемых единичным объемом за время dt,  нужно поглощенную этим объемом энергию разделить на энергию отдельного фотона:

                       .

Здесь [A] – концентрация молекул вещества A. Поскольку  , имеем

dNl = .

Отсюда для числа образованных молекул продукта B (или C) или числа разрушенных молекул исходного вещества A находим

                          .

Следовательно, для скорости изменения концентрации вещества B имеем

                            ,

где мы ввели  - спектральный коэффициент скорости фотолиза (определяет вероятность фотолиза молекулы А за единицу времени при заданных условиях облучения). Как видно, коэффициент скорости фотолиза пропорционален величине квантового выхода, плотности потока излучения, длине волны излучения и сечению поглощения.

Если известен спектр падающего излучения El, то остается только проинтегрировать  по всем длинам волн:

                               .

Здесь коэффициент скорости фотолиза  полностью характеризует эффективность процесса, поскольку учитывает все поступающее в рассматриваемый элементарный объем излучение. Кроме процесса образования в результате фотолиза, в общем случае возможны также и другие процессы, изменяющие концентрацию вещества B. Поэтому в выражении для скорости изменения концентрации практически всегда присутствуют и другие дополнительные члены.

4.3. Образование слоев в атмосфере

Подпись:  Если излучение, инициирующее некоторый процесс (например, рассмотренный выше фотолиз вещества А), проникает извне атмосферы, оно постепенно ослабляется на пути к поверхности Земли вследствие поглощения и рассеяния. Соответственно, с уменьшением высоты будет уменьшаться и коэффициент (см. рис. 4.1). Однако концентрация «сырья» для фотолиза (вещества [A])  в перемешанной атмосфере, наоборот, увеличивается по мере приближения к поверхности Земли из-за увеличения давления и плотности воздуха. В результате оказывается, что произведение этих сомножителей имеет выраженный максимум на определенной высоте. Здесь скорость образования вещества В -  максимальна, то есть, образуется слой. Чем больше коэффициент поглощения излучения (сечение), тем выше образуется слой с продуктами фотолиза, поскольку быстрее падает интенсивность излучения с уменьшением высоты.

Пока мы рассматриваем только прямое солнечное излучение. Очевидно, если такое излучение падает наклонно на атмосферу,  оно сильнее ослабляется на пути до высоты h(см. рис. 4.2). Поэтому при наклонном падении лучей максимум  смещается вверх, а его амплитуда падает (уменьшаются  и [A])[5].

Эффективность рэлеевского рассеяния падает с высотой из-за уменьшения плотности воздуха. Есть еще рассеяние на аэрозолях. Основная масса аэрозолей обычно сосредоточена в тропосфере (тропосферные аэрозоли). Однако часто аэрозоли наблюдаются и в стратосфере, в частности, в слое Юнга (Junge). Считается, что в состав стратосферного аэрозольного слоя входит метеорная пыль и частицы (в частности, капельки серной кислоты), забрасываемые в стратосферу или образующиеся в ней в результате мощных извержений вулканов.