4. Взаємодія сонячного випромінювання з атмосферою
4.1. Перетин поглинання, коефіцієнт поглинання, закон Бугера-Ламберта-Бера
Залежно від довжини хвилі електромагнітне випромінювання може повністю поглинатися будь-яким шаром атмосфери, сильно послаблюватися на шляху до поверхні Землі або поширюватися майже безперешкодно. Зокрема, сонячне іонізуюче випромінювання (короткохвильове) повністю поглинається в зовнішніх шарах атмосфери, приводячи до утворення іоносфери. Поглинання більш довгохвильової частини ультрафіолетового випромінювання призводить в денний час до значної дисоціації O2 і малих атмосферних складових, таких як вода, CO2 на висотах, великих 100 км. Здатність тих чи інших складових атмосфери поглинати випромінювання характеризується перетином поглинання або коефіцієнтом поглинання.
Нехай на шар речовини товщиною dx см падає випромінювання з щільністю E вт / см 2 перпендикулярно поверхні шару. Очевидно, що частка поглиненої енергії dE буде пропорційна початкового потоку, товщині шару (пройденого випромінюванням шляху через яка поглинає середу) і концентрації молекул поглинаючої речовини n:
Знак мінус означає, що щільність потоку випромінювання зменшується в результаті проходження через поглинаючий шар. Як видно з наведеного виразу, коефіцієнт пропорційності s має розмірність площі і називається перетином поглинання [1]. Твір sndx називають оптичною товщиною шару:
Якщо перерахувати товщину шару dx до нормальних умов: dz =, де nL = 2.687 ∙ 10 19 см -3 - число Лошмідта [2] (число молекул газу в 1 см 3 при нормальних умовах), отримаємо dt = adz. де a = snL - коефіцієнт поглинання [3] в см -1. - товщина шару поглинає газу при нормальних умовах (коли концентрація дорівнює nL), раніше мала товщину при концентрації n. Чим більше перетин s або коефіцієнт поглинання a, тим активніше газ поглинає випромінювання.
Що ж відбувається з сонячним випромінюванням на шляху в атмосфері?
1. Випромінювання, коротше 200 нм, поглинається ще у верхній атмосфері.
2. Випромінювання коротше 240 нм, не проникає нижче 30 км через поглинання O2.
3. Випромінювання коротше 290нм, не досягає поверхні Землі через поглинання O3.
Далі, сонячне випромінювання частково поглинається в окремих ділянках спектра такими газами як O3. H2 O, O2, CO2. смуги поглинання яких виявляються до далекого інфрачервоного діапазону.
Тепер легко зрозуміти, чому вертикальний профіль температури в атмосфері має такий складний хід. У вельми грубому наближенні ситуація виглядає наступним чином. Верхня атмосфера ефективно поглинає короткохвильове сонячне випромінювання і призводить до розігріву термосфери. Висот мезосфери таке випромінювання вже не досягає, а більш довгохвильове випромінювання безперешкодно проходить через неї, не викликаючи нагрівання. Тому і температура в мезосфері низька. Ще нижче розташовується стратосфера, в якій в помітних кількостях присутня озон. Озон повністю поглинає ультрафіолетове випромінювання в області довжин хвиль 240-280 нм і таким чином «розігріває» стратосферу. Все, що залишилося від сонячного спектра (довгохвильове ультрафіолетове, видиме і частково інфрачервоне випромінювання), з невеликими втратами проникає через тропосферу і досягає земної поверхні [4].
В інфрачервоній області 8-11 мкм є так зване «вікно прозорості», в межах якого відсутній помітне поглинання випромінювання будь-якими присутніми в атмосфері газами. Але роль цього «вікна» для падаючого сонячного випромінювання незначна через низьку відносної інтенсивності сонячного випромінювання у відповідній вікна спектральної області. Зовсім інша ситуація виникає для теплового випромінювання Землі, максимум якого знаходиться якраз поблизу названого «вікна». Завдяки його наявності, помітна частка теплового випромінювання Землі безперешкодно йде в космічний простір.
Ще більш довгохвильове радіохвильове сонячне випромінювання затримується іоносферою. Крім поглинання в атмосфері, сонячне випромінювання розсіюється на атомах і молекулах повітря (релєєвськоє розсіювання) і аерозолях. З точки зору фотохімічних процесів в атмосфері основне значення має випромінювання з довжинами хвиль, коротше 400 нм.
Повернемося знову до опису поглинання. Отже dE = -Edt. Звідси для шару кінцевої товщини маємо:
- закон Бугера-Ламберта-Бера (P. Bouguer - J.H. Lambert - A. Beer).