中高层大气物理学第三章Anoxygenatmoshere在氧气氛.ppt

LOGO PHYSICS OF THE MIDDLE AND UPPER ATMOSPHERE中高层大气物理学An oxygen atmosphere 2011 中性成分 80 km以下，湍流混合使得大气主要成分的体积百分比与地面的情况是相同的。但是由于太阳辐射的光分解和各种化学反应，可产生一些微量成分的原子、分子。 在80–100 km之间，光分解使氧原子含量增加。在这里光化作用与湍流混合、分子扩散运动有同等的重要性。 100 km以上，分子扩散比湍流和光化反应更为重要，是决定热层上部结构的主要因素。在扩散平衡分布的高层大气中，轻元素成了主要成分。 高层大气成分的垂直分布，可以通过有源的连续方程解得。 一般情况下假定大气是水平均匀的，只需考虑垂直运动引起的变化 散度项表示输运过程引起的ni(z)的变化 光分解 从双原子分子结构看，分子内部势能是两原子核间距离的函数。 处于稳定态的分子，其两原子核间距离在势能极小值所对应的距离Rc附近。 通常，分子处于ν = 0, 1, 2 · · · 的核间振动状态，两个原子束缚在一起。 当受外界激发时，如太阳辐射照射、分子吸收光能等，核间距离变大。当超过一定的值之后，两个原子分离为独立状态，称为光分解(photodissociation)。 中性大气的基本化学反应 Radiative recombination 两原子复合过程中发射辐射，这是光分解的逆过程。 Three-body recombination Rearrangement 其特殊情况是原子-原子交换反应 以上各化学反应的速率系数 (Rate coefficient) 分别是k2、k3、k2’ 。 如二体碰撞中，WX和YZ的数密度变化与n(WX) · n(Y Z)成正比，系数k2’是温度的函数，是此过程的速率系数。 反应速率系数 从微观角度看，化学反应也属于一种碰撞过程，即当粒子能量足够大时，碰撞后粒子的内部结构发生变化，产生出新粒子。 若碰撞截面为σ(E)，能发生化学反应的下限能量为Ea，则速率大于v(Ea)的粒子间的碰撞数，就是产生新成分的粒子数，或者说碰撞频率是 假定气体处于热平衡态，f(v)是WX和YZ的质心速率分布函数，且服从麦克斯韦分布率，即 M是折合质量 粒子相对运动的动能 反应速率系数 For example, the reaction N+(3P) + O2(X3Σ g ? , v = 0) yields three product channels and the product species are found in several electronic and vibrational states. The relative production efficiency is a function of the relative collision energy. The total reactive cross section is defined as the sum over all internal states of the reactants and products O2的吸收和光分解 Herzberg bands (2400-2600A) 波长大于2423A，对应于O2分子态的禁戒跃迁。 Herzberg continuum 对应于第一分解（位势）能DP1 = 5.12eV (2423?A) Schumann-Runge bands 中间层内（60–90 km）最大的氧原子生成源。 Schumann-Runge continuum 对应于第二分解（位势）能DP2 = 7.08eV (1750?A) 电离层内氧原子的主要供应源 Ly-α线（1216 A）的吸收 O2对Ly-α线的吸收截面很小，可穿透到较低的大气层，在70-90 km之间分解产生O O2的分解速率系数J2(z) J2(z)是单位时间内，每个氧分子吸收的、且能使O2分解的光子数，称为分解速率系数，或光分解率，单位为s-1。 单位时间、单位体积内，O2吸收的光子数是 吸收一个能量足够大的光子，就能使一个O2分子分解 但在z ≤ 60km的区域内，对于2000A λ 2423A，计算τ时，还需考虑O3的吸收。假定O3随高度的某种分布后，就能算出J2。 O2的分解速率系数J2(z) J2(z)的垂直分布 O3的吸收和光分解 Hartley bands 对应于分解后O、O2的不同激发态，所吸收的波长也不同。 O2**的的禁戒跃迁1270 nm波长的发射，能在气辉光谱中观测到。 Huggins bands 此带吸收截面较小，所以它对平流层下部较为重要。 Chappius bands 在波长3500?11000A之间