中高層大氣物理學(xué)第三章4Mesosphere中間層O課件

1、PHYSICS OF THE MIDDLE AND UPPER ATMOSPHERE中高層大氣物理學(xué)Mesosphere2011O3的光化平衡與垂直輸運(yùn)對(duì)于30 km以下的區(qū)域，由于V、V都比較大，從而、較小。此時(shí)忽略對(duì)流傳輸項(xiàng)，僅考慮光化平衡，必然會(huì)有較大誤差。假定光化平衡時(shí)，計(jì)算得到的n3隨高度、緯度的分布。在40 km以上，緯度效應(yīng)不明顯。在低高度上，太陽(yáng)直射的低緯應(yīng)產(chǎn)生更多的O，故n3也應(yīng)該較大。但測(cè)量的結(jié)果顯示，30 km以上兩者基本相符，30 km以下低緯的n3 反而比高緯小。O3垂直分布的重心在赤道較高，兩極較低。這表明赤道地區(qū)的垂直對(duì)流強(qiáng)烈，垂直輸運(yùn)使O3的重心抬高。中間層O3

2、中間層內(nèi)不能再認(rèn)為氧原子n1很少，在應(yīng)是n1 n3的情況。中間層內(nèi)三體碰撞的可能性減小了。忽略輸運(yùn)過(guò)程時(shí)如果忽略三體碰撞的作用，并且考慮在白天J3 k13n1所以中間層內(nèi)O3的光化平衡時(shí)間是這個(gè)時(shí)間是很短的，所以O(shè)3處于光化平衡狀態(tài)中間層O在O3處于光化平衡狀態(tài)時(shí)O在中間層內(nèi)的光化平衡時(shí)間是70 km以下 (O) 1021 JHO2的大氣范圍內(nèi)OH和HO2并假定a5 = a7對(duì)于中間層上部并且nH大于nOH和nHO2。H對(duì)n1的影響由于新的反應(yīng)加入，決定n1的方程變?yōu)椋ê雎粤薬1、a3、a4、JHO2）O與OH、HO2的反應(yīng)將使n1變小。因?yàn)閍5 a7 4 1011cm3 s1，在較低的高度上

3、，當(dāng)k12nMn2達(dá)其最大值處，OH和HO2的作用并不明顯。但在中間層，特別是中間層的上部，必須考慮它們的影響。在75 km上，k12nMn2 103s1，而nOH 107cm3，則a5nOH可達(dá)同一量級(jí)；在85 km（中間層頂附近）nOH 106cm3，對(duì)氧原子的消失起重要的作用。所以，在中間層內(nèi)，不考慮氫成分存在所得到的n1(z)只是最大的可能值。在中間層頂，只考慮以上化學(xué)反應(yīng)機(jī)制仍不能得到與現(xiàn)實(shí)相符的結(jié)果，這是因?yàn)闊釋拥筒康难踉訅勖^長(zhǎng)，它們可通過(guò)輸運(yùn)過(guò)程向下運(yùn)動(dòng)。因此對(duì)于熱層低部的n1分布情況，還需要考慮那里的輸運(yùn)條件。H對(duì)n1的影響考慮到H與O3的作用后在平衡時(shí)有代入(1)只考慮n

4、H是重要的，略去k13n1，即J3a J3 + a3nH 。并消去n3(1)H對(duì)n1的影響此式相應(yīng)于中間層（及熱層低部）的光化條件。在中間層頂高度上，采用下式就認(rèn)為有較好的近似（略去n12項(xiàng)）由于nH是重要的，可以進(jìn)一步近似為H對(duì)n3的影響對(duì)于平流層和中間層下部，可假定氧原子處于光化平衡態(tài)，而且n1較小，略去n12項(xiàng)代入(1)在較低高度上（即在平流層及中間層的低部），一般滿(mǎn)足以下關(guān)系(1)在平流層的影響到達(dá)平衡時(shí)若不考慮H成分的影響，n3的光化平衡值回到純氧大氣模型時(shí)的值相比之下，H成分的作用等效于O3的光分解速率系數(shù)有了增加。引入等效光分解速率系數(shù)在平流層內(nèi)，A的第一項(xiàng)較?。ê雎裕?，取a5

5、= a7在平流層的影響考慮OH和HO2的反應(yīng)后，平衡態(tài)下O3的垂直分布。在35 km以下，O3的垂直分布偏離光化平衡條件下的值，這說(shuō)明確定O3的分布時(shí)，必須考慮輸運(yùn)過(guò)程的作用。在中間層的影響在平流層頂以上，A中的兩項(xiàng)都需要考慮修正項(xiàng)(1 + A)1/2在平流層頂約為1.5，到了中間層頂已增至100。H的作用使n1和n3都有了較大程度的降低。總結(jié)H成分的作用在平流層內(nèi)，H對(duì)O和O3的分布影響不大。但35 km以下，由于不可能處于光化平衡態(tài)，還需要考慮輸運(yùn)過(guò)程。在中間層內(nèi)，不考慮H的作用時(shí)n1和n3的平衡值都偏大。在熱層低部，也需考慮H的光化反應(yīng)，在那里n3是處于光化平衡態(tài)的，但討論n1時(shí)還需包括

6、自熱層向下的輸運(yùn)過(guò)程。N和NON和NO是高層大氣中占重要地位的次要成分。雖然N2是最大量的大氣成分，但產(chǎn)生N和NO的過(guò)程并不很直接。與O2相比，N2的分解速率很小，其直接分解不可能是生成N的主要來(lái)源N2的電離，及隨后的分解復(fù)合應(yīng)是高空N的主要生成過(guò)程IN2是光電離速率系數(shù)。由此產(chǎn)生N2+ 后進(jìn)一步的反應(yīng)有有了N就會(huì)產(chǎn)生NO，它是形成電離層D層的主要成分，也是氣輝研究的重要對(duì)象之一。N和O生成NO的主要過(guò)程是上述三個(gè)反應(yīng)中，b1c是最小的；當(dāng)nM 5 105cm3時(shí)，包含N與OH的反應(yīng)，在光化平衡時(shí)用b7n7表示氮原子所有可能的消失過(guò)程nN和nNO由于JNO 5106s1，而b6nN 105s1

7、，故忽略JNO，上式可近似為在平衡態(tài)時(shí)，即聯(lián)立得解得nN和nNO考慮以下兩種極限情況若由N2分解為N的過(guò)程遠(yuǎn)大于NO光分解的作用，即P(N) JNOn NO，則若從N2分解產(chǎn)生N的過(guò)程是次要的 ，即JNOnNO P(N) ，則由上式可知即當(dāng)P(N)比較大時(shí)，nNO可達(dá)到光化平衡值。而當(dāng)P(N)變小時(shí)，NNO 也變小。隨著P(N)變小，nN卻變大?？偨Y(jié)綜合以上討論，N和NO的生成、消失的主要反應(yīng)過(guò)程以上討論主要適用于平流層上部和中間層。因?yàn)樵陔婋x層內(nèi)，由于O2+ 、O+、N2+ 離子的參加，還需考慮N、NO產(chǎn)生和消失的其它反應(yīng)。在熱層低部，這些離子已開(kāi)始增多，其中N2+與O2或O作用而生成NO+，那時(shí)的O2+ 和