УДК 550.388
ЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВАРИАЦИЙ ЭМИССИИ КОНТИНУУМА ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ. 2. ИНФРАКРАСНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
© 2014 г. А. И. Семенов1, Н. Н. Шефов1, И. В. Медведева2
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва 2 Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск e-mails : anasemenov@yandex.ru; nikoshefov@yandex.ru; ivmed@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 04.03.2014 г.
Используя полученные в лабораториях скорости фотохимических реакций между молекулами окиси азота и невозбужденной и возбужденной молекулами озона, выполнен расчет абсолютной интегральной интенсивности инфракрасных компонент эмиссии континуума. Показано, что высотное распределение интенсивности непрерывного спектра излучения верхней атмосферы (континуума) в инфракрасной области спектра охватывает диапазон высот средней атмосферы от 10 до 15 км. Сопоставление рассчитанных значений интенсивности континуума с результатами ее спектрофото-метрических наземных измерений в ближней инфракрасной области спектра позволило уточнить коэффициент скорости реакции молекул окиси азота с озоном, ответственной за возникновения эмиссии континуума в ИК области спектра.
DOI: 10.7868/S0016794014050162
1. ВВЕДЕНИЕ
Непрерывный спектр излучения ночной верхней атмосферы (континуум) неоднократно регистрировался в спектральных участках, где отсутствуют дискретные эмиссии. В основном, подобные измерения проводились в видимой области спектра. Измерения в ближней инфракрасной области из-за технических сложностей были чрезвычайно редкими и непродолжительными по времени. Проведенные лабораторные исследования континуума позволили выявить три основных процесса, в результате которых образуется непрерывное излучение в достаточно широкой области спектра — взаимодействие молекулы окиси азота с атомами кислорода и с возбужденными и невозбужденными молекулами озона [Clough and Thrush, 1967; Golde et al., 1973; Kenner and Ogryzlo, 1984; Atkinson et al., 2004]. Исследование закономерностей поведения интенсивности континуального излучения в условиях земной атмосферы было предпринято в работе [Семенов и др., 2014], в которой использовались данные отечественных и зарубежных наземных измерений, а также результаты измерений, полученных с борта космического корабля "Мир" 7—9 января 1999 г. (/10.7 = 130) [Гурвич и др., 2002]. На основе анализа всех этих данных была сделана оценка вклада реакции с участием молекул окиси азота и атомарного кислорода (NO + O) в атмосферное излучение континуума в видимой области спектра. Важной особенностью проведенных иссле-
дований является то, что полученная оценка соответствует данным для условий верхней атмосферы, не искаженными поглощением излучения в тропосфере. К сожалению, практически все анализируемые в работе данные были получены в основном в зимний период при зенитном угле Солнца х = 123°, который на различных долготах соответствует местному солнечному времени 5 ч.
Спектральные распределения интенсивности (фотоны) эмиссии континуума, в соответствии с реакциями различных компонентов, были определены на основе лабораторных исследований [Kenner and Ogryzlo, 1984]. Абсолютные интенсивности, обусловленные этими компонентами, в шкале длин волн представлены на рис. 1 и в таблице.
Распределение интенсивности излучения континуума по спектру (фотоны, относительные единицы [Kaufman, 1958]) может быть аппроксимировано едиными формулами вида
I(X) = I
max V u max
)exp
1
X
\2"
_ -ln
VCT 0 + 8CT X п
где /тах(^тах) — значение интенсивности излучения, соответствующего максимуму спектрального распределения на длине волны ^тах для распределений, относящихся к конкретному процессу (указанных на рис. 1), знак минус (—) соответствует интервалу спектра X < Xтах, а знак плюс (+) интервалу X > Xтах. Средняя погрешность такой аппроксимации составляет 1—2%. Соответствую-
16
3 14
Я
12
4
m
р10 ^
л н о о я <ч
и
о Я
В
Я
5
8
500 1000 1500 2000 Длина волны , нм
2500
3000
I = I (X max)
exp
ln
2 X
X „
+
exp
ln
(ас - 5а)
v
2 X
d X +
л
X
(а с + 5а)
d X
= I(Xmax^>/nXmax (ас + 5a)exp
ас + 5а
i noo(X) = 1.00 exp
1
X
0.385+ 0.115 625
-ln
(500—1400 нм) и (600—3000 нм), возникающих за счет реакций окиси азота с возбужденными и невозбужденными молекулами озона соответственно, были получены в лабораторных исследованиях [Kenner and Ogryzlo, 1984]. Наша аналитическая аппроксимация этих распределений представлена выражениями соответственно
I ДХ) = 1.00 exp
noo, 7 r
inoo3(X) = 1.00 exp
1
0.400+ 0.063 820
-ln
1
-ln-
0.448 + 0.096 1200
Рис. 1. Спектральные распределения интенсивностей компонентов эмиссии континуума.
1 — процесс N0 + О; 2 — процесс N0 + О3; 3 — сумма процессов.
щая интегральная интенсивность определяется формулой
Здесь, как и в предыдущих формулах, длина волны X — в нм.
Соответствующие интегральные значения интенсивностей указанных спектральных распределений определяются выражениями
[ noo
- 5°0InoO(^max),
= 646I t(X m
noo, m
NOO:
INOO, = 1081I
noo
x),
J,
где интенсивности максимумов спектральных распределений INooftmax), I max) и In003(^max)
имеют размерности в рэлеях нм-1, а интегральные интенсивности I
NOO, INOO*' INOO3 — в рэлеях.
где Хтах — длина волны в нм.
Используя единое выражение для описания распределения интенсивности по спектру, можно получить уравнения, описывающие это распределение для каждой реакции в отдельности. Для реакции окиси азота с атомарным кислородом распределение интенсивности излучения континуума по спектру можно представить аналитическим выражением
где ^00 — в относительных единицах.
Лабораторные исследования процессов возникновения излучения континуума в инфракрасной области спектра выявили, что их природа связана с взаимодействием молекул окиси азота и озона в нейтральном и возбужденном состояниях.
Спектральные распределения интенсивности инфракрасного излучения в областях спектра
Для видимой части спектра оценка интегрального излучения континуума составляет ~7 кРл при средней спектральной плотности излучения в видимой области спектра 10 Рл нм-1. В результате имеется возможность определить абсолютные интенсивности континуума в излучении верхней атмосферы, обусловленные процессом NO + O для различных участков спектра в видимой и инфракрасной области.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ИНФРАКРАСНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЭМИССИИ КОНТИНУУМА НА ОСНОВЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ФОТОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Лабораторные исследования процессов возникновения излучения континуума в инфракрасной области спектра выявили, что их природа связана c взаимодействием молекул окиси азота и озона в нейтральном и возбужденном состояниях.
2.1. Анализ параметров процесса NO + O3
В работе [Gadsden and Marovich, 1973] уже было обращено внимание на возможность возникновения излучения континуума в процессе NO + O3 на высотах средней атмосферы 15-90 км вследствие
0
л
X
max
у
ж
X
Абсолютные спектральные распределения (рэлей нм-1) внеатмосферных интенсивностей компонент континуума, вычисленные по аппроксимационным формулам на основе анализа данных измерений (/10.7 = 75) для процесса N0 + О и расчета для N0 + 03
X, нм NO + O NO + O3 £ X, нм NO + O NO + O3 £
400 1.0 - 1.0 1450 0.9 4.7 5.6
450 3.4 - 3.4 1500 0.7 4.5 5.2
500 7.6 0.01 7.61 1550 0.6 4.4 5.0
530 10.3 0.03 10.33 1600 0.4 4.1 4.5
550 12.6 0.04 12.64 1650 0.3 3.9 4.2
600 14.7 0.07 14.77 1700 0.14 3.7 3.84
605 14.8 0.11 14.91 1750 - 3.4 3.4
625 15.0 0.17 15.17 1800 - 3.2 3.2
650 14.9 0.26 15.16 1850 - 2.9 2.9
700 14.3 0.52 14.82 1900 - 2.7 2.7
712 14.0 0.62 14.62 1950 - 2.5 2.5
750 13.1 0.91 14.01 2000 - 2.3 2.3
800 11.8 1.37 13.17 2050 - 2.0 2.0
820 11.2 1.7 12.9 2100 - 1.8 1.8
830 10.9 1.8 12.7 2150 - 1.7 1.7
850 10.3 2.0 12.3 2200 - 1.5 1.5
900 8.8 2.8 11.6 2250 - 1.4 1.4
926.8 8.1 3.1 11.2 2300 - 1.3 1.3
950 7.4 3.5 10.9 2350 - 1.2 1.2
1000 6.2 4.1 10.3 2400 - 1.1 1.1
1050 5.1 4.6 9.7 2450 - 0.95 0.95
1061.2 4.9 4.7 9.6 2500 - 0.85 0.85
1100 4.2 5.1 9.3 2550 - 0.76 0.76
1150 3.4 5.3 8.7 2600 - 0.66 0.66
1200 2.7 5.4 8.1 2650 - 0.59 0.59
1250 2.2 5.4 7.6 2700 - 0.52 0.52
1300 1.8 5.3 7.1 2750 - 0.47 0.47
1350 1.4 5.1 6.5 2800 - 0.43 0.43
1400 1.1 5.0 6.1 2850 - 0.38 0.38
Интегральные интенсивности, рэлей 7550 1870 9420
присутствия молекул озона и окиси азота в широком диапазоне высот.
Высотные распределения концентраций молекул окиси азота и озона в ночное время суток неоднократно измерялись различными научными группами. Результаты этих исследований представлены в работах [Allen et al., 1984; Gadsden and Marovich, 1973; Meira, 1971; Шефов и др., 2002]. Эти данные позволяют рассчитать объемную интегральную интенсивность эмиссии континуума в реакции NO + O3 с помощью следующей формулы
Önoo3(Z) —
a noo3[NO][03]
1 + ■
ß
no2m
[M]
где Qnno3(Z) в фотон см 3 с
3„-1
В настоящее время имеется достаточно много работ, в которых исследовались скорости фотохимических реакций с участием молекул окиси азота и молекул невозбужденного и возбужденного озона, например [Clough and Thrush, 1967; Golde
110
105
Sf 100 te
8 95 3
В
В90
85
80
-3
-2 -1 lg [Q(Z)], фотон см-3 с-1
100
80
* 60 т со
3 40
PQ
20
-4-3-2-10 1 2 3 ^ )], фотон см-3 с-1
Рис. 2. Высотное распределение логарифмов объемной интенсивности эмиссии континуума, обусловленного процессом N0 + О3, на основе расчета процесса возбуждения.
et al., 1973; Kenner and Ogryzlo, 1984; Phillips and Schiff, 1962],
NO + O3 ^ NO* + O2 + hv
NO + O* ^ NO* + O2 + hv.
Полное представление о работах, посвященных этим реакциям, можно найти в обзорной статье [Atkinson et al., 2004]. Из всей совокупности данных, рассматриваемых в этой работе, имеющих существенную дисперсию значений скоростей реакции, авторами рекомендуется значение скорости для реакции с невозбужденным озоном:
а
noo3
= 1.8 х 10-14 см3 с-1 при 298 K или
а
noo3
= 1.4 х 10-12exp(-1310/T) см3 с
3 -1
Скорость реакции окиси азота с возбужденной молекулой озона, согласно работе [Kenner and Ogryzlo, 1984], равна
а * = 1.8 х 10-15 см3 с-1
noo3
Процесс дезактивации возбужденных молекул
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.