4. Interacțiunea radiației solare cu atmosfera
4.1. Secțiunea transversală de absorbție, coeficientul de absorbție, legea Bouguer-Lambert-Baire
În funcție de lungimea de undă a radiației electromagnetice poate fi absorbită complet de un strat al atmosferei, puternic atenuat spre suprafața pământului sau extinde aproape fără obstacole. În special, radiația de ionizare solară (undă scurtă) este complet absorbită în straturile exterioare ale atmosferei, conducând la formarea ionosferei. Absorbția părții lung lungime de undă a radiației ultraviolete determină timpul zilei la disociere semnificativă a O2 și constituenți atmosferici scăzute, cum ar fi apa, CO2 la altitudini de peste 100 km. Capacitatea diferiților constituenți ai atmosferei de a absorbi radiația este caracterizată printr-o secțiune transversală de absorbție sau printr-un coeficient de absorbție.
Lăsați radiația cu o densitate E w / cm 2 perpendiculară pe suprafața stratului să fie atașată de un strat de materie de grosime dx cm. Evident, fracțiunea de energie absorbită dE este proporțională cu debitul inițial, grosimea stratului (prin calea traversat de mediul de absorbție radiații) și concentrația de molecule care absorb substanțe n:
Semnul minus înseamnă că densitatea fluxului de radiație scade ca urmare a trecerii prin stratul absorbant. După cum se poate observa din expresia de mai sus, coeficientul de proporționalitate s are dimensiunea zonei și se numește secțiunea de absorbție [1]. Produsul sndx se numește grosimea stratului optic:
Dacă recalculăm grosimea stratului de dx la condiții normale: = dz, unde nL = 2.687 ∙ brumărel 19 cm -3 - numărul Loschmidt [2] (numărul de molecule de gaz în 1 cm 3, în condiții normale), obținem dt = ADZ. unde a = snL este coeficientul de absorbție [3] în cm -1. - grosimea stratului de gaz absorbant în condiții normale (când concentrația este nL), care anterior avea o grosime la o concentrație de n. Cu cât secțiunea transversală este mai mare sau coeficientul de absorbție a, cu atât mai activă gazul absoarbe radiația.
Ce se întâmplă cu radiațiile solare pe drumul în atmosferă?
1. Radiația, mai mică de 200 nm, este absorbită chiar și în atmosfera superioară.
2. Radiația este mai mică de 240 nm, nu penetrează sub 30 km datorită absorbției de O2.
3. Radiația este mai mică de 290 nm, nu atinge suprafața Pământului datorită absorbției lui O3.
În plus, radiația solară este parțial absorbită în anumite secțiuni ale spectrului prin gaze precum O3. H2O, 02, CO2. ale căror benzi de absorbție se manifestă în domeniul departe de infraroșu.
Acum este ușor de înțeles de ce profilul vertical al temperaturii din atmosferă are un curs atât de complex. Într-o aproximație foarte dificilă, situația este după cum urmează. Atmosfera superioară absoarbe efectiv radiația solară de undă scurtă și conduce la încălzirea termosferei. Înălțimea mezosferei nu ajunge la o astfel de radiație, iar o radiație cu lungime de undă mai lungă trece prin ea fără a cauza încălzirea. Prin urmare, temperatura din mezosferă este scăzută. Chiar și mai mică este stratosfera, în care ozonul este prezent în cantități semnificative. Ozonul absoarbe complet radiațiile ultraviolete în lungime de undă gama 240-280 nm și astfel „călduri“ stratosferă. Tot ceea ce rămâne din spectrul solar (ultraviolete lungime de undă lungă, vizibilă și în infraroșu parte radiații), cu pierderi mici pătrunde prin troposferă și să ajungă la suprafața pământului [4].
În regiunea infraroșie 8-11 μm există o așa-numită "fereastră de transparență" în care nu există o absorbție apreciabilă a radiației de către eventualele gaze prezente în atmosferă. Dar rolul acestei "ferestre" pentru radiația solară incidentă este neglijabil datorită intensității relative scăzute a radiației solare în fereastra corespunzătoare a regiunii spectrale. O situație complet diferită apare pentru radiația termică a Pământului, maximul care se află aproape de fereastra numită. Datorită prezenței sale, o fracție apreciabilă a radiației termice a Pământului curge liber în spațiul exterior.
Chiar și radiația solară cu lungime de undă mai lungă de undă este întârziată de ionosferă. În plus față de absorbția în atmosferă, radiația solară este împrăștiată de atomi și molecule de aer (împrăștiere Rayleigh) și aerosoli. Din punct de vedere al proceselor fotochimice din atmosferă, radiația cu lungimi de undă mai scurte de 400 nm este de importanță primordială.
Să ne întoarcem la descrierea absorbției. Prin urmare, dE = -Edt. Prin urmare, pentru un strat de grosime finită avem:
- legea lui Bouguer-Lambert-Baer (P. Bouguer - J.H. Lambert - A. Beer).