Ультрафиолетовое излучение

Преимущества корпоративного портала.

• Единый доступ ко всем системам и службам предприятия, а также ресурсам Интернет. Портал предполагает автоматизацию и защиту способа передачи идентификационной информации во все системы и используемые ресурсы и строится на стандартизации способа идентификации всех пользователей и ресурсов во всей корпоративной сети.

• Система поиска и методика представления информации позволяют формировать общее информационное пространство предприятия как открытую и прозрачную для управления систему.

• Эффективная интеграция существующих корпоративных приложений.

• Масштабируемая функциональность web-служб портала.

Корпоративные порталы - новый класс программного обеспечения для бизнеса, который на основе современных Интернет-технологий обеспечивает свободу входа и прозрачный доступ к данным систем планирования ресурсов предприятия, управления документами, прикладных систем управления базами данных и корпоративных хранилищ данных, систем групповой работы и управления деловыми процессами. Порталы снабжены мощными средствами поиска и категоризации информации, содержащей в перечисленных корпоративных приложениях, а акже в любых информационных подразделах предприятия. Корпоративный портал является едиными воротами в мир разнородных корпоративных приложений от разных производителей и одновременно в мир Интернет для сотрудников компании и, наоборот, в мир компании для клиентов и партнеров.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

К ультрафиолетому (УФ) излучению относятся электромагнит­ные волны с длиной волны от 0,38 мкм до 100. Этот диапазон электромагнитного спект­ра условно делят на две области: ближнюю (от λ=0,38 мкм до λ=0,2 мкм) и далекую (вакуумную) от λ=0,2 мкм до λ=100 Å. Термин «вакуумная» область применяется потому, что исследова­ния УФ излучения с λ<0,2 мкм производятся в вакууме из-за его сильного поглощения в воздухе.

Ближнее УФ излучение было открыто в 1801 году Н. Риттером и У. Волластоном при облучении хлорида серебра. При этом было установлено фотохимическое действие УФ излучения, энергия квантов которого превышает энергию квантов видимого диапазона в v / v _в раз (v, v _в – частоты соответственно УФ и видимого диапазо­нов).

При переходах на электронных энергетических уровнях атомов, ионов, молекул наблюдается линейчатый спектр УФ излучения. Непрерывный спектр УФ излучения возникает при рекомбинации и торможении электронов.

В ультрафиолетовом диапазоне увеличивается коэффициент по­глощения многих веществ, что приводит к уменьшению их прозрач­ности по сравнению с аналогичными параметрами в видимом диа­пазоне. При λ<0,3 мкм большинство сортов стекла становится непрозрачными, кроме таких материалов, как кварц, сапфир, увилевое стекло, фториды магния и лития, флюарит и др. Например, фторид лития обладает наиболее далекой границей прозрачности, вплоть до λ=0,1 мкм.

Среди газообразных веществ наибольшей прозрачностью об­ладают инертные газы. Например, гелий прозрачен до λ ≈ 0,05 мкм.

При укорочении длины волны в УФ диапазоне уменьшается также и коэффициент отражения многих материалов, включая ме­таллические напыленные пленки. При взаимодействии УФ излуче­ния с веществом, в основном, происходят процессы возбуждения электронных энергетических уровней с последующей ионизацией, диссоциацией и т. п.

2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ

Основным источником УФ излучения естественного происхож­дения является Солнце. Из всего спектра УФ излучения Солнца только небольшая длинноволновая часть (рис. 1) достигает зем­ной поверхности (λ>0,29 мкм). Остальная часть всего УФ спектра, в особенности, коротковолновая, поглощается атмосферой, что оказывает сильное влияние на атмосферные процессы.

Основными поглотителями УФ излучения является озон (высо­ты 20-40 км), кислород, азот, водород и другие компоненты атмосферы (высоты 30-200 км).

Большая часть энергии УФ излучения в диапазонах Δλ=0,14-0,17 мкм и Δλ=0,2–0,24 мкм поглощается на высотах 80-100 км с последующей диссоциацией кислорода.

Излучение с λ<0,1 мкм вызывает ионизацию верхних слоев атмосферы, что приводит к ее разогреву.

Этот поток ионизирующего излучения на границе с земной атмосферой примерно равен 3–10 эрг/(с∙см²), составляя (0,3–1)∙10^–5 от полного потока солнечного излучения. Эта активная компонента в течение солнечного цикла может изменяться в три раза и оказывать на верхние слои атмосферы активное воздействие.

Источниками УФ излучения являются звезды и другие космичес­кие объекты. В диапазоне Δλ=0,09-0,02 мкм излучения этих тел поглощаются межзвездным водородом и частично верхними сло­ями атмосферы. Детальное излучение УФ излучения космических тел представляет одно из интересных направлений современной астрофизики, которое эффективно развивается с использованием аэрокосмической техники.

Начиная с этого периода, было открыто в межзвездном простра­нстве большое количество небесных источников УФ излучения. В их УФ спектрах открыты резонансные линии поглощения элементов Н, С, N, О, Мg, Si, S, Аr и др.

Большое количество источ­ников УФ излучения имеет тех­ногенное происхождение. Лю­бое тело, нагретое до 3000 К и выше, имеет в своем спектре ультрафиолетовую компоненту (см. рис. 1). Чем выше тем­пература тела, тем в большей степени проявляется ультрафи­олетовая составляющая спект­ра (закон смещения Вина).

Рис. 1. Спектр солнечного излучения на земной поверхности

Любая высокотемпературная плазма является источником УФ излучения, имеющего и линей­чатый, и непрерывный спектры. С увеличением электронной тем­пературы увеличивается интенсивность УФ излучения, а в некоторых случаях, и рентгеновского излучения.

Выпускаемые для различных целей и, в частности, для оптичес­кой накачки лазеров импульсные источники света и газоразрядные лампы тоже являются мощными источниками УФ излучения. В зависимости от вида газа в электрическом разряде электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение. КПД преобразова­ния электрической энергии в оптическое излучение для различных газов имеют следующие значения:

Газы............. Не Кr Аr Ne

КПД, %........ 60 50 40 25-35

Применяемые в промышленности и в современной технологии электроискровая обработка, плазменные установки, электродуговая сварка, электрический взрью проводников, лазерный пробой, лазер­ные методы обработки и т. д. являются техногенными источниками УФ излучения.

Интенсивным источником УФ излучения с непрерывным спек­тром являются электронные потоки синхротронов, линейных уско­рителей, мощных приборов СВЧ.

К техногенным источникам УФ излучения относятся более 70 различных лазерных систем, работающих в УФ и вакуумном УФ диапазоне. Некоторые из них представлены в табл. 1.

Таблица 1

Некоторые лазеры УФ диапазона

Молекула, атом, ион	Спектральная область, мкм	Параметры лазерного излучения
мощность, Вт	длительность импульса, нc	давление, мм рт. ст.
Н2	0,1098 – 0,127	1 – 5∙10^3	< 1
N2	0,3159(0,3371)	1 – 20∙10^6	4 – 6	20 – 70
Хе2*	0,1721	75∙10^б		7,5 атм Хе+ +15 атм Аr
Аr2*	0,1261	5∙10^7	4 – 15	52 атм Аr

К техногенным источникам УФ излучения относятся некоторые металлургические печи и домны по выплавке высокотемпературных металлов и сплавов с применением кислородного дутья, мощных электронных и плазменных потоков и т. п. Перечисленные процессы не исчерпывают всего многообразия техногенных источников УФ излучения.

3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ

В основе биологического действия УФ излучения лежат фотохи­мические процессы молекул биополимеров, которые возникают в организмах при поглощении верхними слоями тканей растений или кожи животных и человека падающего излучения.

В зависимости от интенсивности и длины волны УФ излучение действует двояко на живые организмы. С одной стороны, малые дозы УФ облучения оказывают благотворное влияние на человека и животных, способствуя образованию витаминов группы В. С дру­гой стороны, УФ облучение оказывает вредное (губительное) дейст­вие на живые организмы. Установить границу дозволенного и губи­тельного в ряде случаев бывает очень сложно.

Лечебное действие. Применение в медицине ИК, видимых и УФ излучений осуществляется в специальном ее разделе, называемом физиотерапией (светолечение). При этом используются как искус­ственные, так и естественные источники излучения. Среди искус­ственных источников используются тепловые (лампы накаливания, электросветовые ванны и т.д.) и люминесцирующие (ртутно-кварцевые лампы, люминесцентные эритемные и дуговые бактерицид­ные лампы).

Действие оптических излучений на человеческий организм опре­деляется интенсивностью, временем облучения (дозировкой), глуби­ной проникновения излучения в зависимости от его длины волны.

Ранее отмечалось, что наибольшей глубиной прони­кновения обладают СВЧ излучения, затем в сторону уменьшения ИК и видимый диапазон. Минимальная глубина проникновения наблюдается для УФ лучей. В случае применения ИК излучения эффект покраснения кожи – эритема – может появиться через не­сколько минут после начала облучения и спустя 2 – 8 часов при действии УФ (скрытый, латентный период). Этот эффект зависит от спектральной чувствительности кожи на разных участках тела, воз­раста, состоянии организма и т. д.

Максимальным эритемным действием обладает УФ излучение с длиной волны 0,2967 и 0,2537 мкм. Покраснение кожи – эрите­ма – через 3-4 дня переходит в защитную пигментацию (загар) кожи. Ультрафиолетовое облучение (местное или общее) применя­ют в широком диапазоне действий:

— компенсация ультрафиолетовой недостаточности (в районах Севера);

— болеутоляющее и противовоспалительное средство (при нев­ритах, невралгии, радикулитах, миозитах, бронхитах, плевритах, кожных заболеваниях и нарушениях обмена веществ, профилактике рахита, ОРЗ и т.д.);

— увеличение сопротивляемости к различным инфекциям (на­пример, к гриппу и т.п.).

Применение видимого и ИК излучений для теплового воздейст­вия целесообразно как рассасывающее и болеутоляющее средство.

Однако эти методы противопоказаны при активней форме ту­беркулеза, новообразованиях, «щитовидной» болезни, заболеваниях почек и др.

С развитием лазерной терапии возможности этого направления современной медицины широко раздвинулись и обогатились. По­явились совершенно уникальные методы лечения с применением традиционной медицины и лазерной техники.

Вредное действие УФ излучений. Учитывая большую энергию квантов УФ излучения и их способность вызывать деструкцию молекулярных и межмолекулярных связей, а также непосредственно влиять на внутриклеточные ткани с образованием радикалов, УФ лучи представляют серьезную опасность для клетки живого ор­ганизма. Большие дозы УФ излучения могут вызывать ожоги кожи и канцерогенные реакции, повреждения глаз и другие нежелатель­ные процессы. Кванты УФ диапазона непосредственно влияют на синтез пигментов, активность ферментов и гормонов, интенсив­ность процессов фотосинтеза и т.п. УФ излучение больших доз оказывает губительное воздействие на микроорганизмы и культи­вируемые клетки высших животных и растений.

УФ лучи с длиной волны 0,24-0,28 мкм особенно сильно оказывают летальное и мутагенное действие, так как этот спектр совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). При поглощении квантов УФ диапазона происходят хи­мические изменения ДНК за счет образования димеров, которые препятствуют нормальному удвоению ДНК в процессе деления клетки. Это приводит к гибели клетки или изменению ее наследст­венных свойств, т. е. образованию мутаций.

Дополнительно возможен процесс повреждения УФ излучения биологических мембран и последующего нарушения синтеза раз­личных компонентов мембран и клеточной оболочки.

До сих пор неясно, нужно ли облучать семена и проростки даже малыми дозами УФ излучения.

Большинство живых клеток обладает способностью восстанав­ливаться от повреждений, вызванных УФ излучением. Способность к выживанию в условиях сильной солнечной радиации на ранних стадиях эволюции у разных биологических объектов разная. Чувст­вительность разных клеток к УФ излучению резко отличается. Например, доза УФ излучения, которая приводит к гибели 90% клеток, для некоторых штаммов клеточной палочки составляет 10, 100, 800 эрг/мм², а для некоторых бактерий 7000 эрг/мм².

Мутации некоторых генов существенным образом влияют на чувствительность клеток к УФ излучению. Некоторые гены увели­чивают чувствительность к УФ излучению, а некоторые мутации генов нарушают синтез белка и строение клеточных мембран.

Механизм воздействия УФ излучения на живые организмы до конца не изучен, тем более невозможно предсказать последствия выживаемости разных биообъектов при увеличении интенсивности УФ излучения и смещению его спектра в сторону коротких волн. Этот процесс крайне нежелателен. Человечеству нужно позаботить­ся, чтобы атмосфера и озоновый слой оставались надежной защи­той от губительного коротковолнового УФ излучения.

4. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СЛОЯ ОЗОНА

Озон и его свойства. Озон представляет собой аллотропное видоизменение молекулы кислорода и состоит из трех атомов – O₃. При нормальных условиях озон при небольших концентрациях обладает характерным запахом (свежести) и разлагается медленно. При больших концентрациях озон синего цвета, обладает резким запахом и легко взрывается.

Ввоздухе озон образуется при электрических разрядах или при УФ облучении воздуха. Ватмосфере озон образуется во время грозы, а в более верхних слоях атмосферы – под действием УФ излучения в присутствии примесей (например, азота). Обратимая реакция образования озона имеет вид:

3O₂ + 285 КДЖ ↔ 2O₃ (1)

Молекула озона неустойчива и обратно превращается в молекулу кислорода с выделением теплоты.

Если хранить озон в сосудах из стекла с присутствием неболь­ших количеств азотной кислоты при температуре –78 °С, то озон при этих условиях стабилен и практически не разлагается. Окис­лительные свойства озона значительно выше, чем у кислорода. Озон окисляет все металлы, кроме золота и металлов платиновой группы. Наличие озона в газовой смеси устанавливают с помощью контрольной реакции:

О₃ + 2КI+Н₂0=I₂ + O₂+ 2КОН (2)

Внебольших дозах озон применяют для стерилизации от микро­бов, озонирования воды, воздуха, отбеливания бумаги и т. д. Озон очень ядовит, предельно допустимая концентрация в воздухе со­ставляет 10^–5 %. Озон значительно ядовитее угарного газа и требу­ет чрезвычайной осторожности. Для получения озона используются как электрические (озонаторы), так и химические методы.

Атмосферный озон. Механизм образования и разрушения слоя озона. Озон, содержащийся в атмосфере, играет исключительно важную роль как с точки зрения процессов поглощения коротковол­новой составляющей солнечной радиации, тем самым выполняя защитную функцию для биосферы, так и с точки зрения регулятора температурного режима атмосферы.

Основное содержание озона находится в стратосфере на высотах примерно от 15 до 45 км (этот участок иногда называют озоносферой). Максимальная концентрация озона наблюдается на высо­тах 20-25 км. Толщина озонового слоя приведенного к нормаль­ным условиям (p =760 мм рт. ст., Т= 0°С), в среднем для всей Земли составляет 2,5-3 мм. Причем, на высоких широтах толщина этого слоя доходит до 4 мм, а в экваториальных широтах до 2 мм. Таким образом, в процентом отношении содержание озона в атмосфере ничтожно мало. В определенных местах атмосферы содержание озона уменьшается на 40-50%. Эти места озоносферы называют «озоновыми дырами».

Образование молекул озона и их взаимодействие с атомами и молекулами кислорода и «посредника» описывается циклом Чепмена:

О₂ + h (λ ≤ 0,24 мкм) = O+O

O₂+O+M=O₃+M

О₃+ h (λ ≤ 0,38 мкм) = O₂+O

O₃ + O = 2O₂

O+O+М = O₂+М

где М – атом или молекула «посредника» (например, кислорода, азота), участвующего в энергетическом балансе реакции.

Взаимодействие озона с атомами и молекулами атмосферы и ее техногенными загрязнениями в присутствии солнечной радиации приводит к разрушению озонового слоя. Особенно сильное раз­рушающее действие на него оказывают галогено-углеродные соеди­нения, в частности хлорфторуглеродные вещества, используемые в холодильной технике. Под действием коротковолновой солнечной радиации, присутствующей за озоновым слоем, относительно ста­бильные фреоны в этом случае высвобождают атомы свободного агрессивного хлора, вступающего впоследствии с озоном в катали­тическую цепную реакцию:

Сl + O₃ = СlO + O₂

СlO + O = Сl + O₂

Реакции подобного рода являются губительными для озона, что приводит к увеличению пагубного биологического воздействия ко­ротковолнового УФ излучения.

В настоящее время международным сообществом принимаются меры по ограничению выбросов в атмосферу галогеносодержащих соединений. Отрицательное воздействие на состояние озонового слоя оказывают полеты космических кораблей, ракетные двигатели которых выбрасывают в больших количествах в тропосферу и стра­тосферу такие «загрязнители», как HCl, Cl, NO, СО, СO₃, аэрозоли и т. п. На долю этих запусков космических кораблей, приходится пока 5-7% от общего фона загрязнения атмосферы транспорт­ными средствами всех видов, но с увеличением числа этих запусков увеличивается пагубное влияние на озоновый слой и всю атмосферу в целом. Безусловно, нельзя отказаться от развития аэрокосмичес­кого комплекса, поэтому в настоящее время ведутся исследования по созданию оптимальных рецептур ракетных топлив, новых типов двигателей, принципиально новых способов выведения спутников на околоземные орбиты.

Определенную долю в разрушение озонового слоя вносят высо­коэнергичные потоки протонов. Их взаимодействие с атмосферной средой приводит к уменьшению количества озона.

Отрицательное влияние на состояние озонового слоя оказывают выбросы в атмосферу химической и электронной промышленности. Строгий и постоянный контроль за состоянием озонового слоя является необходимым условием охраны окружающей среды. В этом плане большое значение имеет метод лазерного зондирова­ния профилей стратосферного озона, который позволяет полу­чить информацию, не получаемую традиционными озонозондами.

5. ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ ОТ ДЕЙСТВИЯ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ

Высотная зависимость состава атмосферы. Одной из характери­стик, определяющих защитные свойства атмосфер и спектр солнеч­ного излучения на поверхности Земли (см. рис. 1), является высот­ная зависимость состава атмосферы, связанная с тепловым режи­мом атмосферы и Земли. В свою очередь, тепловой режим во многом зависит от действия слоя озона, который является причи­ной своеобразной зависимости температуры атмосферы от высоты.

В приземном слое (табл. 2) воздух состоит из азота (78,084% по объему), кислорода (20,946%), аргона (0,934%), углекислого газа (0,033%) и малыми составляющими из неона, гелия, ксенона, крип­тона, водорода, метана, оксидов азота. Кроме того, воздух содер­жит «загрязнители» в виде аэрозолей в твердом и жидком состояни­ях, выбросы газов техногенного происхождения. Аэрозоли (твердые и жидкие частицы размеров от нескольких десятков микрон до нескольких нанометров) являются одной из оптически активных составляющих атмосферы. Аэрозоли наблюдаются не только в тро­посфере, но и в верхних слоях атмосферы, попадая туда из космоса, а также с земной поверхности в виде техногенных загрязнений, пылевых бурь, вулканических извержений и т.д. Концентрация аэрозолей довольно быстро убывает с увеличением высоты, причем эта зависимость имеет сложный характер в связи с условиями образования аэрозольных слоев. Аэрозольные частицы размером более микрона могут быть центрами конденсации водяного пара. Аэрозольные частицы меньших размеров переносятся на большие расстояния и высоты, сохраняясь в воздушных потоках долгое время.

Таблица 2

Качественная зависимость состава атмосферы от высоты

Атмосферный слой	Высота, км	Общая характеристика. Особенности
Приземный слой	0 – 0,5	N2 (78,084%); O2 (20,946%); Аr (0,934%); СO2 (0,033%); Nе, He, Kr, Хе, СН4, NOх; Н2 аэрозоли и другие «загрязнители»
Тропосфера	0,5 – 13	–«–, наблюдается понижение давления
Стратосфера	13 – 50	–«– + озоновый слой (максимум концентрации на высоте 20-25 км)
Мезосфера	50 – 80	озоновый слой отсутствует, появляются атомы кислорода
Термосфера	80 – 100   120 – 130 160 – 180 выше 600	количество атомов кислорода ≈ 20% количества молекулярного кислорода количество О = количеству О2, количество О=количеству N Не – основная составляющая атмосферы
Экзосфера	выше 1000 1500 – 2000 выше 2000	частицы могут иметь космическую скорость (11,2 км/с) количество Не = количеству Н атомы водорода. Атмосфера переходит в межпланетный газ (тоже атомы Н)

Увеличение концентрации аэрозольных частиц приводит к эк­ранированию поверхности Земли от падающего солнечного излуче­ния и уменьшению температуры на планете. О роли углекислого газа в тепловом режиме атмосферы говорилось выше.

Состав земной атмосферы в значительной степени изменяется с высотой. Состав атмосферы в тропосфере примерно такой же, как и в приземном слое, но наблюдается понижение давления с высо­той. Главное отличие стратосферы от тропосферы заключается в том, что здесь находится озоновый слой с максимумом концент­рации молекул О₃. В мезосфере начинает увеличиваться концент­рация атомов кислорода, которые возникают от диссоциации моле­кул О₂ под действием УФ излучения. В той или иной мере атмос­фера остается однородной, когда происходит турбулентное движе­ние воздушных масс за счет перемешивания, которое достигает высоты 100 км (турбопауза). Турбопаузой называется такой уро­вень, когда действие турбулентного перемешивания прекращается. Несмотря на это, уже с высот 80-90 км увеличивается процентное содержание атомов кислорода и на высотах 120-130 км количест­во атомов кислорода становится равным количеству молекул кис­лорода. На высотах 160-180 км количество атомов кислорода сравнивается с количеством атомов азота.

На высотах выше 600 км основной составляющей атмосферы является гелий, который по количеству сравнивается с числом атомов водорода на высотах 1500-2000 км. Выше 2000 км атмос­фера переходит в межпланетный газ, основной компонентой кото­рого являются атомы водорода, поглощающие, как указывалось выше, коротковолновую часть спектра УФ излучения.

Интересно отметить, что на высотах более 1000 км частицы атмосферы могут приобретать космическую скорость (11,2 км/с) и больше, вследствие чего, преодолев силу земного тяготения, эти частицы могут покинуть атмосферу.

Таким образом, основными поглотителями атмосферы корот­коволновой части УФ излучения Солнца являются атомы водорода, гелия, азота, кислорода и затем, основным экраном от УФ излуче­ния (при λ<0,3 мкм) является озоновый слой.

В связи с тем, что плотность атмосферы очень быстро уменьша­ется с увеличением высоты, можно считать, что 80% всей массы атмосферы находится в тропосфере. Зависимость плотности воз­духа от высоты:

Высота, км........ ……………. 0 10 20 30 40 50 100

Плотность воздуха, г/м³ ……≈10³ 3∙10² 10² 30 5 ≈1,0 10^–2

Уменьшение давления атмосферы с увеличением высоты проис­ходит по экспоненциальному закону. На высоте 10 км и выше плотность атмосферы становится незначительной.

Высотное распределение температуры в атмосфере. Сосредоточен­ный в стратосфере слой озона оказывает очень важное влияние на температурный режим атмосферы и процессы поглощения солнеч­ной радиации во всем спектральном интервале. Высотное распреде­ление температуры и распределение концентрации озона в стратос­ферном слое представлено на рис. 2.

В нижней части атмосферы, т.е. в тропосферном слое температу­ра с ростом высоты уменьшается примерно на 6 К на один кило­метр. На высотах от 12 км до 20 км температура остается постоян­ной. Этот слой атмосферы называется первым изотермическим слоем. Выше этого слоя температура снова растет (область инвер­сии) вплоть до 270 К, достигая уровня стратопаузы (≈ 47 км) и до 55 км остается постоянной. Эта область называется вторым изотер­мическим слоем. Необходимо отметить, что основная масса воз­духа атмосферы (99%) приходится на тропосферу и стратосферу и только 1% приходится на массу атмосферы, лежащей выше 51 км.

Начиная с высоты 55 км, температура снова уменьшается приме­рно до 180К вплоть до высоты 80 км (мезопауза) и до высот 90 км остается постоянной (третий изотермический слой). Выше мезопаузы, начиная с высоты ≈ 90 км, начинается область атмосферы, называемой термосферой, в которой температура вновь увеличива­ется до очень больших показателей (более 1000 К, на рис. 2 не показана).

Из области экзосферы, находящейся выше области термосферы, происходит рассеяние атомов атмосферы в мировое пространство за счет процессов диссоциации.

Рис. 2. Высотные распределения температуры (кривая 1) и концентрации n ° озона (кривая 2) в атмосфере

Роль озона в тепловом режиме атмосферы и Земли. Из рис. 2 виден сложный характер изменения температуры в атмосфере по мере увеличения высоты (кривая 1), который во многом определяет­ся наличием слоя озона (кривая 2), с максимумом концентрации на высотах 20-25 км. Практически молекулы озона поглощают сол­нечное излучение в широком диапазоне частот (особенно, при λ<0,35 мкм). Коротковолновая часть солнечного УФ излучения,дойдя до слоя озона, оказывается ослабленной в результате погло­щения атомами водорода, азота, кислорода. Слой озона является основным защитным экраном всего живого на поверхности Земли от действия УФ излучения с длиной волны менее 0,35 мкм. При сравнении кривых 1, 2 (рис. 2) видно, что концентрация озона является обратно пропорциональной функцией температуры. Мак­симум концентрации молекул озона соответствует минимуму тем­пературы на границе тропосферы и стратосферы (чуть выше перво­го изотермического слоя, т. е. на высотах 22-25 км). При увеличе­нии температуры в этой области атмосферы концентрация озона и скорость нагревания атмосферы уменьшаются. Поглощенная озо­ном доля УФ излучения возвращается атмосфере в виде теплового излучения.

Озоновый слой является своеобразным стабилизатором и демп­фером в механизме температурного режима атмосферы. Стратос­ферный слой озона во многом определяет температурный режим атмосферы. На более верхних уровнях атмосферы за счет поглоще­ния коротковолновой части УФ излучения атомами водорода, азо­та, кислорода их кинетическая энергия возрастает, а, следовательно, возрастает и температура атмосферы. До высот 80 км достигает ослабленная часть УФ излучения Солнца. В этой области поглоще­ние незначительно, поэтому температура принимает минимальное значение (≈ 180К).

На более низких высотах атомами озона поглощается более длинноволновая часть спектра УФ излучения (λ<0,3 мкм). Это приводит к сильному нагреву атмосферы. Эффективность нагрева имеет большую величину для этой части спектра, чем в коротковол­новой области УФ излучения. Тем более, что длинноволновая часть спектра УФ излучения в более верхних слоях атмосферы поглощает­ся значительно слабее. При этом максимум нагрева приходится на высоты 50-55 км. При дальнейшем понижении высоты темпера­тура падает по двум причинам. Во-первых, плотность воздуха становится значительнее и его труднее нагреть. Во-вторых, УФ компонента излучения Солнца на этих высотах оказывается осла­бленной из-за поглощения на более высоких уровнях атмосферы.

На тропосферном участке наблюдается рост температуры вплоть до поверхности Земли. Это обусловлено сразу несколькими факторами: перекачкой поглощенной озоном энергии в атмосферу, непосредственным поглощением падающего солнечного потока, кон­вективными восходящими теплыми потоками от поверхности Зем­ли и т.п.

Реальные процессы тепло- и массообмена, происходящие в ат­мосфере, значительно сложнее, чем рассмотренный механизм. На самом деле происходит взаимодействие сразу многих взаимосвязан­ных факторов: падающего солнечного излучения с многообразными компонентами атмосферы (атомами, молекулами газов, аэрозоля­ми), влияние озонового слоя, рассеянного излучения, зависимости давления и плотности атмосферы от высоты, обратного переизлучения Земли, степень «загрязненности» атмосферы и т. п.

Определенную роль в этих процессах играют ионная и элект­ронная компоненты атмосферы, образованные как непосредствен­ным воздействием коротковолновой частью спектра солнечного излучения, космическим излучением, так и процессами соударения и рекомбинации атомов и молекул, находящихся в составе атмос­феры.

Дата добавления: 2014-01-04