太陽(yáng)電磁波與大氣中物質(zhì)的相互作用

蔡輝劍 雷光臨

(鄭州大學(xué)“河南省激光與光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室” 河南 鄭州 450001)(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453003)

2008年9月27日 “神舟7號(hào)”的宇航員翟志剛出艙活動(dòng)，在距離地面343 km的太空，用19 min35 s的時(shí)間，跨越太空9 165 km.他穿的價(jià)值3千萬(wàn)元人民幣的“飛天”航天服,其功能之一就是使航天員免受太空的太陽(yáng)電磁輻射.太空的太陽(yáng)電磁波和照射到地面的太陽(yáng)電磁波相比,其頻率和強(qiáng)度都發(fā)生了變化.

太陽(yáng)電磁波的頻率范圍與強(qiáng)度分布

太陽(yáng)電磁波譜分布從波長(zhǎng)短于10～5 nm直到波長(zhǎng)超過(guò)10 km.按波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)的次序依次為γ射線、X射線、紫外線，可見(jiàn)光、紅外線、微波和無(wú)線電波.

太陽(yáng)電磁波的強(qiáng)度與頻率的關(guān)系如圖1所示.輻射的強(qiáng)度與頻率有關(guān)，其中，可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍大約是從380 nm到720 nm，它與紅外線的輻射能量占了太陽(yáng)總輻射能量的92%.

圖1 太陽(yáng)電磁輻射通過(guò)大氣層時(shí)的變化

從圖1對(duì)比在大氣層外和在海平面處的太陽(yáng)電磁波，其強(qiáng)度隨頻率的分布情況和總輻射通量都發(fā)生了變化. 300 nm以下的紫外線、X射線和γ射線幾乎全部消失，其余部分的減弱情況也和頻率有關(guān).發(fā)生這種變化的原因是太陽(yáng)電磁波在進(jìn)入大氣層以后，與大氣層中物質(zhì)發(fā)生了各種相互作用，包括反射、散射和吸收等等.

地球外大氣狀況

地球外大氣總質(zhì)量達(dá)5.2×1015t.其密度和組成成分隨著距離地面高度的變化而變化，在確定的高度其組成基本穩(wěn)定.大氣層大體可分為四個(gè)部分：第一層為對(duì)流層，是大氣底部對(duì)流運(yùn)動(dòng)顯著的區(qū)域，因氣流垂直的運(yùn)動(dòng)而得名.其厚度在兩極約為7～10 km,中緯度處約10～12 km,赤道處約16～18 km.大氣質(zhì)量的78%集中于對(duì)流層,水汽主要也處在這一層內(nèi)，其含量約為1%～5%.

第二層為平流層，因其下部的大氣多平流運(yùn)動(dòng)而得名.這一層的頂界距地面50～80 km.由內(nèi)到外又分為同溫層、暖層和上部混合層.大氣中的臭氧層就位于距離地面約30 km高度的區(qū)域，濃度可以達(dá)到12 ppmV.波長(zhǎng)在290～220 nm的紫外線被臭氧層吸收.該層的水汽和塵埃很少，空氣逐漸稀薄，其頂部紫外線強(qiáng)烈.

第三層為電離層，范圍從80 km的高度延伸到700 km的高度.在太陽(yáng)輻射等因素的作用下,高空氣體分子電離成為正離子和自由電子.成為電子密度不同的幾個(gè)高度區(qū)域.波長(zhǎng)在220 nm～90 nm的紫外線主要被100 km以下的氧分子吸收.波長(zhǎng)90 nm以下的紫外線及X射線、γ射線等在更高的高度上被吸收.

最外層是700 km以上的區(qū)域，主要是由氦組成，比氦層更高的范圍內(nèi)則是質(zhì)量更小的氫或者稱質(zhì)子層.

大氣對(duì)太陽(yáng)電磁波的反射和散射

大氣層對(duì)射向地球的太陽(yáng)電磁波的作用首先是反射，即太陽(yáng)電磁波遇到大氣中的各種粒子(如空氣的各種組成成分、水汽形成的云霧以及塵埃等等)后，按幾何光學(xué)的規(guī)律被反射的情況，其中部分電磁波被反射回空間.反射后的電磁波只改變方向，不改變頻率.包括地面在內(nèi)的反射結(jié)果使得照射到地球上的太陽(yáng)電磁波能量的30%返回到大氣中或者說(shuō)地球的反照率為0.3.相比之下沒(méi)有大氣層的月球其反照率僅為0.07.

其次是散射，當(dāng)太陽(yáng)輻射的電磁波遇到大氣中的分子等微粒時(shí)，除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線外，還有沿其他方向傳播的光線，這些光線被稱為散射光.散射可分為兩大類：分子散射和懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射.十分純凈的大氣對(duì)太陽(yáng)電磁波的散射即屬于分子散射.大氣中的煙塵、水汽產(chǎn)生的散射即屬于懸浮質(zhì)點(diǎn)散射.分子散射遵從瑞利(Ray leigh)散射定律——散射光強(qiáng)與入射電磁波波長(zhǎng)的四次方(λ4) 成反比，即波長(zhǎng)越短被散射的越強(qiáng).蔚藍(lán)的天空就是因?yàn)榭梢?jiàn)光中短波長(zhǎng)的藍(lán)紫光被散射顯著的原因. 根據(jù)瑞利散射定律，更短波長(zhǎng)的紫外線、X射線以及γ射線被散射的會(huì)更顯著. 懸浮點(diǎn)散射只發(fā)生在距離地球表面較近的對(duì)流層內(nèi)，散射光強(qiáng)和波長(zhǎng)的關(guān)系不明顯.

大氣層對(duì)太陽(yáng)電磁波的吸收

除了反射和散射外，大氣層還對(duì)太陽(yáng)電磁波有吸收現(xiàn)象. 吸收的種類可能有光電效應(yīng)、康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)和電子對(duì)的產(chǎn)生這三種形式.

光電效應(yīng)是指一個(gè)光子和一個(gè)原子相碰撞時(shí)，將自身的全部能量賦予該原子的一個(gè)電子，使電子脫離該原子而發(fā)射出去.光子本身則全部被原子吸收.發(fā)射出去的電子能量等于入射光子的能量減去該種原子的功函數(shù).

Ee=hν-W

光電效應(yīng)對(duì)金屬而言，一般是把外層電子發(fā)射出去，而大氣中的分子主要是非金屬，將其電子發(fā)射出去更加困難；另一方面，通過(guò)光電效應(yīng)對(duì)光子的吸收能力和光子能量的三次方成反比，光子能量增高即波長(zhǎng)越短時(shí)，由光電效應(yīng)引起的對(duì)光子的吸收要降低. 從這一對(duì)矛盾可以看出，在大氣中發(fā)生光電效應(yīng)的可能性很小.還有就是光電效應(yīng)和吸收物質(zhì)

的核電荷數(shù)有關(guān)，核電荷數(shù)越大吸收越大，而大氣中的分子的核電荷數(shù)都不是很大,故對(duì)光電效應(yīng)可以不予考慮.

康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)，指的是光子和原子中的一個(gè)電子之間的彈性作用.入射的光子與電子相互作用后，把一部分能量傳給電子.改變了前進(jìn)方向的光子成為頻率變小的散射光子.獲得能量的電子沿另一方向從原子中發(fā)射出來(lái).如圖2所示，這個(gè)過(guò)程中，不僅能量守恒而且動(dòng)量也守恒.這種吸收與單位體積內(nèi)的電子數(shù)密度成正比，也和光子的能量有關(guān)——對(duì)低能光子要比對(duì)高能光子的吸收能力強(qiáng). 但是應(yīng)注意,在康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)中出現(xiàn)的散射現(xiàn)象和前述的分子散射不是一回事.

圖2 康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng) 圖3 電子對(duì)的產(chǎn)生

物質(zhì)對(duì)光子吸收的第三種形式是電子對(duì)的產(chǎn)生.根據(jù)相對(duì)論原理電子的能量為

E=m0c2=0.511 MeV

對(duì)于能量大于1.022 MeV的光子，在通過(guò)物質(zhì)時(shí)與原子核相互作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)正電子，稱為電子對(duì)，而光子完全消失.如圖3所示. 光子能量中大于1.022 MeV的部分“hν-1.022 MeV”分配給電子對(duì)，但不一定是平均分配. 光子能量大于1.022 MeV時(shí)，能量越高，吸收越多.

小結(jié)

根據(jù)以上分析，可以得到如下結(jié)論：對(duì)于波長(zhǎng)小于220 nm的紫外光X射線以及γ射線被大氣層吸收，主要產(chǎn)生電子對(duì)，這與該高度處于電離層的事實(shí)相符.分子散射也對(duì)短波長(zhǎng)電磁波的減弱起到重要作用. 在高度為30 km的臭氧層范圍內(nèi)，康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)對(duì)波長(zhǎng)大于220 nm的紫外線的吸收起到主要作用，吸收物質(zhì)主要是臭氧. 此外，波長(zhǎng)為1～24 μm的紅外線，吸收物質(zhì)有有二氧化碳、水汽、臭氧和其他分子等. 吸收機(jī)制也是康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng).