<< 4.3 Рассеяние на аэрозолях
| Оглавление |
4.5 Поглощение света водяным >>
Поглощение озоном является истинным поглощением, при котором
фотон, поглощенный атомом, изменяет энергетическое состояние этого
атома. Впоследствии возбужденный атом может вновь испустить фотон, но
это может произойти в другом направлении и другой части спектра. Линии
и полосы истинного поглощения в земной атмосфере называются
теллурическими.
В озонометрии принято пользоваться не экспоненциальными, а десятичными
коэффициентами. Пусть
-- десятичный объемный
коэффициент поглощения озоном. Размерность этого коэффициента -- см. Пусть, далее, -- толщина однородного слоя озона (в
см) по направлению луча зрения. Тогда оптическая толща атмосферы
для озонного поглощения будет равна
|
(4.18) |
и формула Бугера для озонного поглощения запишется в виде
|
(4.19) |
Пропускание земной атмосферы в зените, связанное с поглощением
озоном, выразится формулой
|
(4.20) |
Толщина слоя озона в сантиметрах, если его привести к
стандартным температуре и давлению, т.е. высота однородной
атмосферы озона, одна из наиболее употребительных величин для
выражения общего количества озона с атмосфере. Обычно эта
толщина составляет около 0.3 см. Количество озона в атмосфере
весьма непостоянно. Озон образуется при тройном столкновении
молекулы кислорода O с атомарным кислородом O при наличии еще
третьей (любой) молекулы. Атомарный кислород возникает при
диссоциации молекулы O под воздействием ультрафиолетового
излучения Солнца. То же самое ультрафиолетовое солнечное излучение
сильно поглощается озоном, и при этом так же как и при некоторых
столкновениях молекул воздуха, может произойти разрушение
молекулы озона. Эти вопросы рассматривает теория фотохимического
равновесия озона. Сложные процессы образования и разрушения
озона ведут к двум следствиям. Во-первых, количество озона может
заметно изменяться, и, во-вторых, наиболее благоприятные условия
для его возникновения реализуются на высотах около 20-25 км над
уровнем моря. Идеализируя картину, можно сказать, что весь озон
в атмосфере распределен тонким шаровым слоем на высоте примерно
21 км. На рис.4.6 показано распределение количества озона с
высотой.
Рис. 4.6:
Распределение количества атмосферного озона с высотой над
уровнем моря
|
Малое количество озона в атмосфере обладает замечательными оптическими
свойствами. При поглощении энергии молекулой газа происходят переходы
электронов с одного энергетического уровня на другой, а также изменения
ее колебательной и вращательной энергии. Эти процессы -- квантованные
и ведут к образованию линий поглощения, причем малые изменения
колебательной энергии и еще меньшие -- вращательной, создают тонкую
структуру полос поглощения. Избыточное электронное возбуждение приводит
к ионизации молекул, а избыточное возбуждение колебательных уровней --
к их диссоциации. Ионизация и диссоциация -- процессы не квантованные;
они происходят с поглощением широкого диапазона длин волн (континуума).
Эти процессы формируют полосы поглощения озона.
Главная полоса поглощения озона -- полоса Гартли.
Максимальное поглощение достигается в ней у длины волны
. Здесь для толщины слоя озона 0.3 см ослабление
составляет 10 раз. Оно убывает в коротковолновую сторону до
10 при
и в длинноволновую сторону до
10 при
. Эта полоса полностью поглощает
все излучение, которое могли бы зарегистрировать фотокатоды в области
чувствительности от 2500 до 3000. При
к
полосе Гартли примыкает область полос Хюггинса. Коэффициенты
в области этих полос показаны на
рис.4.7 в зависимости от длины волны.
Рис. 4.7:
Полосы Хюггинса поглощения озоном
|
В области полос Хюггинса располагаются крылья ультрафиолетовых полос
пропускания наших фотометрических систем. Непостоянство количества
озона в атмосфере ведет к неправильному учету поглощения. При
различных условиях количество озона в атмосфере может меняться примерно
в 2 раза, так что высота однородной атмосферы озона может составлять то
0.2, то 0.4 см. Существует систематическое изменение количества
атмосферного озона с широтой. Количество озона относительно велико в
северных полярных широтах, далее убывает к югу, сравнительно мало в
области между 35 с.ш. и 35 ю.ш., затем
нарастает, и вторичный максимум приходится на 50 -
60 ю.ш. Над Антарктидой намечается новый ``провал''.
Количество озона изменяется с сезоном. В средних широтах северного
полушария максимум (0.43 см) наступает в середине марта, а
минимум (0.27 см) в октябре. Вообще, максимальное значение
содержания озона, зарегистрированное на земном шаре, составляет 0.76 см (это рекордное значение зарегистрировано на острове Кергелен
20 октября 1967 г.), а минимальное значение (в ``озонных дырах'') равно
0.09 см. Для наблюдателя наиболее опасен тот факт, что
содержание озона может меняться более или менее случайным образом в
течение суток и амплитуда этих изменений сравнима с амплитудой широтных
и сезонных вариаций. Междусуточные изменения содержания озона могут
быть очень велики. Так, на озонометрической станции на острове
Кергелен в 1968 году были получены следующие данные:
22 марта - 0.583 см; 23 марта - 0.749 см;
25 марта - 0.283 см.
Кроме ультрафиолетовой области озон поглощает еще в слабых, но очень
широких полосах Шаппюи в визуальной области спектра. Показатели
поглощения для этих полос показаны на рис.4.8
Рис. 4.8:
Полосы Шаппюи поглощения озоном
|
Полосы простираются почти на всю визуальную область от
до
. Максимум поглощения приходится на на область
- и составляет в звездных величинах около
. Как раз в этой области располагается полоса наших
фотометрических систем. Сильные ультрафиолетовые полосы поглощения
озоном затрагивают лишь коротковолновое крыло полос или нашего
фотометра. Кривая реакции в этом месте убывает до нуля. Поэтому,
влияние озонного поглощения не слишком велико: проценты, а не десятки
раз. Слабые полосы Шаппюи приходятся на весьма широкую область
максимальной чувствительности полосы и несмотря на их слабость
влияют на ошибки измерений всего в 2-4 раза меньше, чем полосы
Хюггинса. Несмотря на наличие деталей тонкой структуры полос
поглощения озоном в общем ход поглощения с длиной волны достаточно
плавный и влияние эффекта Форбса пренебрежимо мало.
<< 4.3 Рассеяние на аэрозолях
| Оглавление |
4.5 Поглощение света водяным >>
Написать комментарий
|