186

Лекция 13. Мониторинг стратосферного и тропосферного озона

Формирование озона. Методы космического мониторинга. Распределение по высоте и широте. «Озоновые дыры». Роль озона в климате Земли. Действие ультрафиолета.

13.1 Формирование озонового слоя

Изучая баланс излучения Земли, внимание акцентировалось на роли газов в поглощении коротковолнового и длинноволнового излучения. Среди газов поглощающих солнечную радиацию, важную роль в физических процессах, происходящих в верхних слоях атмосферы играют атомарный О, молекулярный О₂ и трехатомный кислород О₃, называемый озоном. В термосфере, простирающейся от 90 до 200 км при спокойном солнце (500 км при солнечных вспышках) уже на высоте около 90 км поглощается вся радиация длинами волн <0,1 микрон, ведущая к образованию атомов кислорода и азота (таб.1). Разогрев в термосфере при этом так велик, что эквивалентные температуры движения атомов достигают на верхней границе 500 К (2000 К).

Таб.1 Поглощение солнечной радиации в атмосфере

длина волны, м	доля в энергии	слой, км	Основной процесс	Степень поглощения
< 0,1	0,3 10-6	90-200	фотоионизация O, N	вся
0,1-0,2	10-4	50-110	фотодиссоциация О2+h=2O(3р)	вся
0,2-0,31	1,75%	30-60	О2+О+M=О3+M (вероятность2) фотодиссоциация О3 + hν = О2 + О	вся в 0,22-0,29 и часть 0,29 до 0,36 мкм
> 0,31	98%+	0-10	поглощение паром	17%

В нижней термосфере начинает играть роль фотодиссоциация молекул кислорода на атомарный О, при этом поглощая всю энергию волн 0,1-0,2, м. Слой с минимумом температуры 65-90 км называется мезопауза здесь поглощение энергии меньше, чем собственное длинноволновое излучение. Баланс энергии поддерживается благодаря конвективным потокам из стратосферы, которые иногда образуют тончайшие ноктулентные облака, видимые лишь при заходе солнца в полярных регионах.

Атомарный кислород в присутствии третьей молекулы М, которая уносит эксцесс энергии, может рекомбинировать из кислорода озон, но вероятность встречи (%) сразу 3 молекул прорциональна квадрату плотности, и поэтому в термосфере и верхней мезосфере, где плотность воздуха мала атомарный кислород О достаточно стабилен.

Реакции между тремя молекулами, становятся определяющими в нижней мезосфере и стратосфере в слое от 30 до 60 км. В этом слое озон, поглощая УФ радиацию, диссоцирует на молекулярный и свободный кислород, но последний достаточно быстро встречает какую-либо молекулу М и рекомбинирует, образуя О₃ (так называемый цикл Чепмена). Поглощение озона на длинах волн 0,2 – 0,29 мкм спектра настолько велико, что уже на высотах около 50 км (т .е. в верхней озоносфере) поглощается до 60% всей энергии в УФ спектре. Поэтому на указанных высотах температура воздуха возрастает до максимума (270 К) определяя уровень стратопаузы. С ростом плотности воздуха вероятность рекомбинации О₃ растет и на уровне высот в 25 км наблюдается максимум концентрации озона. Именно здесь поглощается основная часть ближней УФ радиации и лишь малая ее часть на длинах (0,29-0,36 мкм) доходит до земли.