Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой земли, страница 2

что эквивалентно представлению графика на рис. 4.2, б в виде прямой линии. Эту формулу удобно использовать при изучении систем зондирования атмосферы. Для тропосферы подходит значение z₀ (масштабного коэффициента высоты), равное 7,5 км.

Графики, подобные рис. 4.2, б, можно также построить и для парциального давления отдельных молекулярных частиц, входящих в состав атмосферы и перечисленных в табл. 4.1. Такие графики будут весьма похожи на рис. 4.2, б при условиях, что мы не рассматриваем высоту выше 100 км, где мало тяжелых молекул, и что газ «хорошо перемешан». Большинство атмосферных газов можно считать хорошо перемешанными, за исключением озона, который присутствует не только в тропосфере, но также генерируется в стратосфере под действием солнечного ультрафиолетового излучения.

4.2. Молекулярное поглощение и рассеяние

            Для детального понимания процессов поглощения и рассеяния молекулами электромагнитного излучения нужны глубокие знания в области квантовой механики, изложение которых выходят за рамки данной книги. Однако мы все же должны понимать, что энергия отдельных молекул не может изменяться непрерывно, а может принимать некоторое количество (в принципе — бесконечное) дискретных значений, называемых энергетическими уровнями. Если молекула поглощает электромагнитное излучение, она должна перейти с одного энергетического уровня на другой и, следовательно, допустимы только определенные значения скачков энергии Е. Закон Планка устанавливает связь между этой величиной и частотой f электромагнитного излучения:

где h— постоянная Планка. Иногда удобнее использовать в этом уравнении угловую частоту :

Таким образом, мы установили, что молекулы поглощают излучение «избирательно», на конкретных частотах, которые обычно называются линиями поглощения.

4.2.1. Механизмы молекулярного поглощения

Существуют три основных механизма, по которым молекулы могут поглощать электромагнитное излучение. Первый из них, требующий большого количества энергии, заключается в переходе электронов на более высокие энергетические уровни. Он так и называется: процессом электронных переходов. Расчет энергетических уровней любых, даже простейших молекул представляет собой весьма сложную задачу, поэтому мы проиллюстрируем саму идею на примере атома водорода. В этом случае энергетические уровни электронов определяются выражением:

где m — масса электрона (точнее говоря, редуцированная масса электрона, которая для атома водорода составляет 99,95 % массы электрона), а п — квантовое число, которое может принимать только целые положительные значения. Подставив численные значения постоянных в эту формулу, получим:

Часто бывает удобнее в качестве единицы энергии использовать электрон-вольт (эВ), где 1 эВ  1,602 • 10^-18 Дж. В этом случае формула принимает вид:

В своем основном состоянии (конфигурация с самой низкой энергией) водород имеет n = 1. Наименьшее приращение энергетического состояния соответствует переходу  n=1 к n = 2, что требует увеличения энергии на 10,2 эВ. Это типичная порция энергии, необходимая для электронных переходов. И, как следует из уравнения (4.5.1), требуемая для такого перехода частота электромагнитного излучения составляет около 10¹⁵ Гц². Соответствующая длина волны составляет несколько десятых микрометра, так что мы можем найти линии поглощения, вызванные электронными переходами, в ультрафиолетовой и видимой областях электромагнитного спектра.