大氣輻射及遙感-第三章全-rev

1、授課人：授課人： 閻虹如閻虹如20152015春季春季第第三三章章 大氣大氣氣體吸收氣體吸收 3.1 地球大氣的成分和結(jié)構(gòu)地球大氣的成分和結(jié)構(gòu) 3.1.1 熱力結(jié)構(gòu)熱力結(jié)構(gòu) 3.1.2 化學(xué)成分化學(xué)成分 3.2 分子吸收分子吸收/發(fā)射譜的形成發(fā)射譜的形成 3.2.1轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷 3.2.2振動(dòng)躍遷振動(dòng)躍遷 3.2.3電子躍遷電子躍遷 3.2.4譜線形狀譜線形狀 3.2.5連續(xù)吸收連續(xù)吸收 3.2.6熱力學(xué)平衡的崩潰熱力學(xué)平衡的崩潰 3.3 大氣吸收大氣吸收 3.3.1紫外吸收紫外吸收 3.3.2光化學(xué)過(guò)程和臭氧層的形成光化學(xué)過(guò)程和臭氧層的形成 3.3.3可見(jiàn)光區(qū)和近紅外區(qū)的吸收可見(jiàn)光區(qū)和近

2、紅外區(qū)的吸收 3.1 地球大氣的成分和結(jié)構(gòu)地球大氣的成分和結(jié)構(gòu)地球大氣的演化地球大氣的演化原始大氣原始大氣以宇宙中最豐富的輕物質(zhì)為主，由于地球和大氣的溫度非常高，使得原始大氣擺脫地球引力，逃逸進(jìn)入太空。次生大氣次生大氣來(lái)自于地球自身：造山運(yùn)動(dòng)、火山噴發(fā)和從地幔中釋放出地殼內(nèi)原來(lái)吸附的氣體?，F(xiàn)代大氣現(xiàn)代大氣海洋生物吸收光和CO2 ，排放O2，使大氣中CO2含量下降，O2含量增加，而N2通過(guò)NH3的光離解而生成。 3.1.1 熱力結(jié)構(gòu)熱力結(jié)構(gòu) 3.1.2 化學(xué)成分化學(xué)成分恒定成分恒定成分變化成分變化成分在中緯度條件下一在中緯度條件下一些氣體成分些氣體成分混合比混合比的典型垂直廓線的典型垂直廓線 3

3、.2 分子吸收分子吸收/發(fā)射譜的形成發(fā)射譜的形成分子的吸收光譜分子的吸收光譜假設(shè)分子有三個(gè)能級(jí)態(tài)假設(shè)分子有三個(gè)能級(jí)態(tài)所有允許的躍遷分子吸收線在光譜中的位置分子存儲(chǔ)能量的各種方式分子存儲(chǔ)能量的各種方式 平動(dòng)能量平動(dòng)能量(translational energy)：任一運(yùn)動(dòng)粒子，由于他在空間中的運(yùn)動(dòng)都應(yīng)具有動(dòng)能，這叫平動(dòng)能量，單個(gè)分子在x, y, z方向上的平均平動(dòng)動(dòng)能等于KT/2，K為玻耳茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。 轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)動(dòng)能量(rotational energy) ：一個(gè)由原子構(gòu)成的分子，能夠圍繞通過(guò)分子中心的軸而旋轉(zhuǎn)或繞轉(zhuǎn)，于是具有轉(zhuǎn)動(dòng)能量。 振動(dòng)能量振動(dòng)能量(vibrational en

4、ergy) ：組成分子的原子則受某種類(lèi)似彈簧的彈力的束縛，一直單個(gè)源自能夠相對(duì)于原子彼此間的平衡位置而振動(dòng)，因此分子也具有振動(dòng)能量。 電子能量電子能量(electronic energy)：由于構(gòu)成分子的電子能態(tài)的變化，也可能使分子能量發(fā)生變化。量子化量子化 3.2.1轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷平動(dòng)平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的區(qū)別平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的區(qū)別1. 平動(dòng)運(yùn)動(dòng)不是量子化的，分子可以以任意一個(gè)速度運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于分子量級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可以用量子理論量子化，不連續(xù)的能量態(tài)、角動(dòng)量態(tài)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，從而造成相應(yīng)的吸收和發(fā)射線。2. 任何物體都有唯一的一個(gè)質(zhì)量，而有三個(gè)主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：I1，I2，I3。這三個(gè)主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)應(yīng)于

5、轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)垂直坐標(biāo)，總體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有物體的質(zhì)量分布來(lái)決定。分子結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分子結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量例如例如MonoatomicI1=I2=I3=0ArLinearI1=0; I2=I30N2, O2, CO2, N2OSpherical topI1=I2=I30CH4Symmetric topI10; I2=I30NH3, CH3Cl, CF3ClAsymmetric topI1I2I3H2O, O3角動(dòng)量量子化角動(dòng)量量子化轉(zhuǎn)動(dòng)吸收線轉(zhuǎn)動(dòng)吸收線2B2B2B上面我們僅僅討論了最簡(jiǎn)單的情況：僅有一個(gè)非零轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的雙原子分子與其轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)J。類(lèi)似的關(guān)系同樣可以應(yīng)用于擁有

6、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量In的非線形分子與其轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)Jn。每個(gè)量子數(shù)Jn都擁有自己獨(dú)特的一套能級(jí)態(tài)，能級(jí)態(tài)的數(shù)值由In來(lái)決定。吸收或發(fā)射光子，通常意味著同時(shí)有兩個(gè)或者更多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)發(fā)生變化。由于可能發(fā)生同時(shí)躍遷，一個(gè)非線形分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜線比線形分子更加復(fù)雜、無(wú)規(guī)則。分子偶極矩分子偶極矩正、負(fù)電荷中心間的距離r和電荷中心所帶電量q的乘積，叫做偶極矩偶極矩。它是一個(gè)矢量，方向規(guī)定為從正電中心指向負(fù)電中心。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的偶極矩可以用來(lái)判斷分子的空間構(gòu)型。分子呈電中性，但因空間構(gòu)型的不同，正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合。前者稱(chēng)為非極性分子，后者稱(chēng)為極性分子。極性分子可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷與電磁波相互作用。大氣成分的

7、轉(zhuǎn)動(dòng)吸收大氣成分的轉(zhuǎn)動(dòng)吸收單原子氣體單原子氣體，例如氬氣及其他惰性氣體，他們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0，因此沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷。氮?dú)獾獨(dú)?，同樣沒(méi)有電偶極矩和磁偶極矩，因此沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜。氧氣氧氣，雖然沒(méi)有電偶極矩，但是不同于其他雙原子氣體，有一個(gè)恒存在的磁偶極矩，因此在60Ghz和118Ghz有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)吸收帶。二氧化碳和甲烷二氧化碳和甲烷，沒(méi)有電偶極矩和磁偶極矩，因此在非激發(fā)態(tài)下沒(méi)有純的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷。但是當(dāng)有振動(dòng)運(yùn)動(dòng)破壞了其分子對(duì)稱(chēng)性時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)震蕩的偶極子，在非常短波長(zhǎng)處有振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷。其他大多數(shù)氣體，都有恒存在的偶極矩，造成了主要的轉(zhuǎn)動(dòng)吸收帶。 3.2.2振動(dòng)躍遷振動(dòng)躍遷對(duì)于一個(gè)分子中的兩個(gè)原子之間的共價(jià)

8、鍵，是由靜電引力和斥力相互平衡而形成的。分子中原子的位置取決于引力和斥力相平衡的點(diǎn)的位置。分子鍵類(lèi)似一個(gè)彈簧！振動(dòng)能量量子化振動(dòng)能量量子化振動(dòng)振動(dòng)- -轉(zhuǎn)動(dòng)光譜轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 振動(dòng)躍遷發(fā)射和吸收的能量要比轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷大很多。振動(dòng)躍遷發(fā)射和吸收的能量要比轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷大很多。因此，振動(dòng)躍遷相應(yīng)的吸收/發(fā)射線的波長(zhǎng)較短（紅外、近紅外），而純的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷的光譜通常在遠(yuǎn)紅外和微波波段。 振動(dòng)躍遷和轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷常常同時(shí)發(fā)生。振動(dòng)躍遷和轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷常常同時(shí)發(fā)生。由振動(dòng)躍遷和轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷組合發(fā)射出的能量（光子波長(zhǎng)），比單純的振動(dòng)躍遷要略大（略?。@是由于躍遷過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù) J 增加（減少）。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷可以將振動(dòng)躍遷的吸收線分裂成

9、一系列很近間隔的線。（圖見(jiàn)下頁(yè)）kk基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)多原子分子的振動(dòng)躍遷多原子分子的振動(dòng)躍遷 當(dāng)一個(gè)分子由多于兩個(gè)的原子組成時(shí)，其可能的振動(dòng)方式將會(huì)增加，通常包含了原子鍵的彎曲、拉伸及其組合彎曲、拉伸及其組合。 對(duì)于一個(gè)給定的分子結(jié)構(gòu)，任何物理上容許的振動(dòng)可以表對(duì)于一個(gè)給定的分子結(jié)構(gòu)，任何物理上容許的振動(dòng)可以表述為有限個(gè)簡(jiǎn)振模態(tài)的疊加。述為有限個(gè)簡(jiǎn)振模態(tài)的疊加。簡(jiǎn)振模態(tài)之間是相互獨(dú)立的，每個(gè)簡(jiǎn)振模態(tài)對(duì)應(yīng)自己的一套振動(dòng)能級(jí)。類(lèi)似于，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用三個(gè)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)來(lái)描述，但是振動(dòng)模態(tài)的數(shù)量與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。水分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)水分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)二氧化碳的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)二氧化碳的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)對(duì)

10、于一個(gè)非線形的分子，它的原子數(shù)對(duì)于一個(gè)非線形的分子，它的原子數(shù) n 1，那么它，那么它將具有將具有 N=3n-6 個(gè)基本振動(dòng)模態(tài)，如果它是線形分子，那么個(gè)基本振動(dòng)模態(tài)，如果它是線形分子，那么 N=3n-5。一個(gè)雙原子分子的兩個(gè)電子能態(tài)的勢(shì)能曲線示意圖核間距離能量離解能級(jí)振動(dòng)能級(jí)基態(tài)激發(fā)態(tài) 3.2.3電子躍遷電子躍遷由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的氫原子的發(fā)射和吸收示意圖氫原子的能級(jí)圖氫原子的能級(jí)圖對(duì)于大氣氣體來(lái)說(shuō)，外層電子是我們感興趣的，因?yàn)槠涞谝患ぐl(fā)態(tài)與基態(tài)之間的躍遷，相應(yīng)的光子波長(zhǎng)在近紅外、可見(jiàn)光或紫外波段，而內(nèi)層電子躍遷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)更加短。同時(shí)，在通常大氣溫度條件下，分子間的碰撞不會(huì)使電子躍遷，

11、所以幾乎沒(méi)有電子會(huì)自然的處于激發(fā)態(tài)，自生發(fā)射光子，除非是吸收了太陽(yáng)輻射。大氣分子的吸收大氣分子的吸收/ /發(fā)射過(guò)程發(fā)射過(guò)程 電子躍遷電子躍遷 波長(zhǎng)小于1m，紫外、可見(jiàn)光波段 分子振動(dòng)躍遷分子振動(dòng)躍遷 波長(zhǎng)在1m20m，近紅外、熱紅外波段 分子轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷分子轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷 波長(zhǎng)大于20m，遠(yuǎn)紅外、微波波段10-23J10-18J能量增加電子、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷疊加示意圖電子、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷疊加示意圖分子的吸收光譜由下述決定：1）所有能級(jí)態(tài)之間容許的躍遷。2）分子是否有足夠強(qiáng)的電磁偶極子與輻射場(chǎng)相互作用。 3.2.4譜線形狀譜線形狀譜線增寬譜線增寬由下列三個(gè)原因造成：1.壓致增寬壓致增寬/碰撞增寬碰撞

12、增寬(pressure/collision broadening)2.多普勒增寬多普勒增寬 (Doppler broadening)3.自然增寬自然增寬(natural broadening)他們的相對(duì)重要性取決于局地環(huán)境情況。實(shí)際上，從未觀測(cè)到單色發(fā)射輻射！背景介紹背景介紹 比爾定律復(fù)習(xí)線型的基本描述線型的基本描述 譜線位置譜線位置吸收線處于電磁波譜上的位置。 譜線強(qiáng)度譜線強(qiáng)度吸收線相應(yīng)的總吸收的電磁能量。 譜線形狀譜線形狀上述吸收在吸收線中心兩側(cè)是如何分布線型的數(shù)學(xué)描述線型的數(shù)學(xué)描述注意：注意：FWHM自然增寬自然增寬由于發(fā)射中的能量損耗而造成的振子振動(dòng)的阻尼（這種情況下譜線的增寬我們認(rèn)為

13、是正常的）。發(fā)射中能量損耗發(fā)射中能量損耗造成的譜線增寬也叫做自然增寬造成的譜線增寬也叫做自然增寬。兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷存在一定的躍遷幾率，它決定了能級(jí)具有一定壽命。海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：0iEkEE0hh自然線寬壓致增寬壓致增寬氣體壓致增寬（低中高 非常高）氧氣在微波波段（60GHz）的吸收系數(shù)。在1000mb時(shí)，壓致增寬使得氧氣吸收線的結(jié)構(gòu)被湮滅了。例：一些氣體的壓致增寬例：一些氣體的壓致增寬多普勒增寬多普勒增寬 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)：波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接受到波的頻率與波源發(fā)出的頻率并不相同的現(xiàn)象。壓致增寬與多普勒增寬壓致增寬與多普勒增寬沃伊特沃伊特(Voigt)廓線廓線這一線型就稱(chēng)

14、這一線型就稱(chēng)為沃伊特廓線為沃伊特廓線為了簡(jiǎn)化沃伊特廓線的表征方式，我們令則有：式中的沃伊特定義為：線型增寬總結(jié)線型增寬總結(jié)（均勻增寬：對(duì)所有分（均勻增寬：對(duì)所有分子的影響是相同的）子的影響是相同的）1. 自然增寬自然增寬有限的輻射生命期有限的輻射生命期2. 碰撞碰撞/壓致增寬壓致增寬由于碰撞，在某一量子態(tài)的有限的生命期由于碰撞，在某一量子態(tài)的有限的生命期（非均勻增寬：僅影響（非均勻增寬：僅影響某一類(lèi)型的分子）某一類(lèi)型的分子）3. 多普勒增寬多普勒增寬由于分子熱運(yùn)動(dòng)由于分子熱運(yùn)動(dòng)4. 沃伊特沃伊特(Voigt)廓線廓線上述上述1-3的卷積的卷積均勻展寬和非均勻展寬均勻展寬和非均勻展寬 每一發(fā)光原

15、子所發(fā)出的光，對(duì)譜線寬度內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)，而且這個(gè)貢獻(xiàn)對(duì)每個(gè)原子都是相同的，這種增寬叫均均勻增寬勻增寬。 在多普勒增寬中，雖然每一靜止原子所發(fā)光的中心頻率均為v0，但相對(duì)接收器具有某一特定速度的發(fā)光原子，所發(fā)的光只對(duì)譜線內(nèi)該速度所對(duì)應(yīng)的表觀頻率有貢獻(xiàn)。各種不同速度的原子對(duì)fD(v)中的頻率有貢獻(xiàn)。也就是說(shuō)，不同速度的原子的作用是不同的。這種增寬叫做非均勻增寬非均勻增寬。 3.2.5連續(xù)吸收連續(xù)吸收在紅外和微波波段，最重要的吸收特征就是有很多的離散的吸收線。然而，除主要的共振吸收帶之外，通常還會(huì)發(fā)現(xiàn)一些大氣吸收并非是線狀結(jié)構(gòu)的，吸收在較寬的、連續(xù)的頻率范圍是平穩(wěn)變化的，這被稱(chēng)為連續(xù)吸收連續(xù)吸收

16、。連續(xù)吸收主要有三個(gè)成因：1.光電電離(Photoionization)2.光電離解(Photodissociation)3.紅外/微波水汽連續(xù)吸收帶光電電離與光電離解光電電離與光電離解u電子獲得一份特定的能量，則它可以從軌道上脫離，這一能量相對(duì)于基態(tài)而言叫做電離電勢(shì)電離電勢(shì)。類(lèi)似地，能造成原子離解或者分開(kāi)的一定量的能量，稱(chēng)為離離解電勢(shì)解電勢(shì)。u這需要能量非常大的光子，如X射線、射線，在地球大氣中僅在電離層會(huì)發(fā)生這一現(xiàn)象。后者在一些光化學(xué)反應(yīng)中出現(xiàn)，主要在紫外波段。水汽的連續(xù)吸收帶水汽的連續(xù)吸收帶水汽在紅外和微波波段有兩個(gè)主要的吸收帶，吸收呈現(xiàn)出連續(xù)的形態(tài)。該連續(xù)吸收帶形成的物理機(jī)制尚有爭(zhēng)議，

17、主要有下面兩個(gè)理論：1.遠(yuǎn)翼吸收的影響：遠(yuǎn)翼吸收的影響：紅外吸收線型（洛侖茲）公式不能適用于水汽吸收線在遠(yuǎn)翼由于碰撞增寬引起的強(qiáng)吸收。2.水分子團(tuán)簇的影響：水分子團(tuán)簇的影響：水中的水分子以分子鏈團(tuán)的形式存在，水分子間以氫鍵締結(jié)在一起，有雙水分子、三水分子和多數(shù)分子等，因此具有更加復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)-振動(dòng)躍遷，因此可能有無(wú)限多種離散的躍遷能級(jí)。 3.2.6熱力學(xué)平衡的崩潰熱力學(xué)平衡的崩潰 大氣分子的內(nèi)能以平動(dòng)動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能量、振動(dòng)能量和電子能量方式存儲(chǔ)。 分子間的碰撞使得氣體中的總內(nèi)能能夠在各種能量存儲(chǔ)模式之間平均分布。例如，設(shè)想將氧氣設(shè)置成一種狀態(tài)：它僅僅有平動(dòng)動(dòng)能而無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)動(dòng)能，分子間的碰撞會(huì)使得

18、他們很快開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)?？們?nèi)能能夠平均的分布在各種可能的能量存儲(chǔ)模式中，這種重建的平衡狀態(tài)被稱(chēng)為局局地?zé)崃W(xué)平衡態(tài)地?zé)崃W(xué)平衡態(tài)（local thermodynamic equilibrium, LTE）。 局地?zé)崃W(xué)平衡態(tài)僅僅在密度大、碰撞頻繁的低層和中層大氣才成立。 在局地?zé)崃W(xué)平衡狀態(tài)下，當(dāng)知道介質(zhì)的物理溫度，我們便可以預(yù)測(cè)出總內(nèi)能在所有可能的能量存儲(chǔ)模式之間的分布。介質(zhì)對(duì)于任何輻射的吸收或發(fā)射，都會(huì)很快的導(dǎo)致其溫度的改變。 吸收或釋放某一特定能量的光子，會(huì)立即導(dǎo)致分子的內(nèi)能（轉(zhuǎn)動(dòng)能量、振動(dòng)能量或者電子能量）發(fā)生變化。所有這些能量的變化最終將通過(guò)分子間的碰撞而重新分布。 下面我們講闡述，

19、源函數(shù)和吸收系數(shù)能夠在入射輻射的作用下發(fā)生變化從而離開(kāi)它們的平衡值。聯(lián)系兩能級(jí) E1 和 E2 的輻射躍遷和碰撞躍遷。ni 是單位體積內(nèi)在能級(jí)Ei上的分子數(shù)，gi 是簡(jiǎn)并度。b21 表示單位時(shí)間內(nèi)由于碰撞造成的由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的概率；b12 則為由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的概率。C12，C21 和 A21 是與發(fā)射和吸收有關(guān)的愛(ài)因斯坦系數(shù)，u是輻射能量密度?？刂婆鲎埠洼椛湎鄬?duì)重要性的系數(shù)為：l 能級(jí)粒子數(shù)分布及最終的源函數(shù)將取決于輻射效應(yīng)和碰撞效應(yīng)之間的較量。l 能級(jí)粒子數(shù)分布的碰撞調(diào)節(jié)碰撞調(diào)節(jié)速率取決于與氣壓成正比的弛豫時(shí)間。l 輻射調(diào)節(jié)輻射調(diào)節(jié)取決于激發(fā)態(tài)相對(duì)于輻射躍遷的自然壽命，它依賴(lài)于特

20、定的分子類(lèi)型而與介質(zhì)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。l 當(dāng)碰撞躍遷比輻射躍遷要多得多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局域熱力學(xué)平衡，由于碰撞過(guò)程依賴(lài)于氣壓，所以會(huì)有一個(gè)界限分明的弛豫高度，在此高度以下，普朗克定律對(duì)于能級(jí)間的躍遷是適用的；而在此高度以上，則需要另一個(gè)不同的源函數(shù)（非局地?zé)崃W(xué)平衡）。在地球大氣中，這一高度出現(xiàn)在大約6070km的范圍內(nèi)。 3.3 大氣吸收大氣吸收 3.3.1紫外吸收紫外吸收臭氧和氧分子在紫外譜區(qū)的吸收截面臭氧和氧分子在紫外譜區(qū)的吸收截面太陽(yáng)輻射的吸收太陽(yáng)輻射的吸收對(duì)單色波長(zhǎng)和給定的吸收物質(zhì)，定義一個(gè)垂直吸收光學(xué)厚度如下式中a為吸收截面(cm2)，n為某種給定吸收物質(zhì)的數(shù)密度(cm-3)。以太陽(yáng)天頂角0進(jìn)

21、入大氣的太陽(yáng)輻射通量的衰減為式中0=cos 0 ，F(xiàn)是大氣層頂?shù)奶?yáng)輻照度。這里的通量是沒(méi)有考慮余弦關(guān)系的直接太陽(yáng)光束而言的，稱(chēng)為光化通量。光化通量與光致離解有關(guān)，定義為上式單位為光子束cm-2 s-1。此定義可用于直射光束，也可用于漫射光束。沿太陽(yáng)光束方向，每單位時(shí)間和單位體積所吸收的太陽(yáng)能量，稱(chēng)為體吸收率（光子束cm-3 s-1 ），可表示為：式中單色光致離解系數(shù)（ s-1 ）定義為對(duì)一系列太陽(yáng)天頂角所得出的能量存儲(chǔ)歸一化速率隨歸一化高度的變化此函數(shù)顯示出一個(gè)清楚的分層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為查普曼層。在該層層頂上，q(z)的小值和n(z)的極小值有關(guān)，后者是由于指數(shù)衰減和大氣層定出的恒定J(z)造成的

22、。大氣中向下穿透時(shí)， n(z)增大而J(z)迅速減小，再次導(dǎo)致q(z)的小值。太陽(yáng)天頂角小，有效光學(xué)厚度增大，最大存儲(chǔ)高度變高。實(shí)際上，必須考慮幾種吸收氣體的聯(lián)合效應(yīng)。對(duì)于給定波長(zhǎng)的總吸收光學(xué)厚度為對(duì)一個(gè)譜區(qū)間定義的光致離解系數(shù)可寫(xiě)為太陽(yáng)輻射通量向下穿過(guò)大氣時(shí)的衰減，曲線代表光學(xué)厚度為1時(shí)的高度。在高空吸收的太陽(yáng)極紫外通量造成了熱層中主要成分的電離和離解，從而形成了電離層的各個(gè)層次。舒曼容格帶和赫茲堡連續(xù)吸收帶的O2所吸收O3的哈特萊吸收帶較為透明 3.3.2光化學(xué)過(guò)程和臭氧層的形成光化學(xué)過(guò)程和臭氧層的形成上述五個(gè)反映是同時(shí)發(fā)生的，如果達(dá)到平衡態(tài)，則單位體積和時(shí)間生成的臭氧分子數(shù)將嚴(yán)格等于被破壞的分子數(shù)。在光化學(xué)平衡的假定下，氧原子