4.4 Поглощение атмосферным озоном

Поглощение озоном является истинным поглощением, при котором фотон, поглощенный атомом, изменяет энергетическое состояние этого атома. Впоследствии возбужденный атом может вновь испустить фотон, но это может произойти в другом направлении и другой части спектра. Линии и полосы истинного поглощения в земной атмосфере называются теллурическими.

В озонометрии принято пользоваться не экспоненциальными, а десятичными коэффициентами. Пусть

-- десятичный объемный коэффициент поглощения озоном. Размерность этого коэффициента -- см ${}^{-1}$ . Пусть, далее, $\mu$ -- толщина однородного слоя озона (в см) по направлению луча зрения. Тогда оптическая толща атмосферы для озонного поглощения будет равна

Толщина слоя озона в сантиметрах, если его привести к стандартным температуре и давлению, т.е. высота однородной атмосферы озона, одна из наиболее употребительных величин для выражения общего количества озона с атмосфере. Обычно эта толщина составляет около 0.3 см. Количество озона в атмосфере весьма непостоянно. Озон образуется при тройном столкновении молекулы кислорода O ${}_2$ с атомарным кислородом O при наличии еще третьей (любой) молекулы. Атомарный кислород возникает при диссоциации молекулы O ${}_2$ под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. То же самое ультрафиолетовое солнечное излучение сильно поглощается озоном, и при этом так же как и при некоторых столкновениях молекул воздуха, может произойти разрушение молекулы озона. Эти вопросы рассматривает теория фотохимического равновесия озона. Сложные процессы образования и разрушения озона ведут к двум следствиям. Во-первых, количество озона может заметно изменяться, и, во-вторых, наиболее благоприятные условия для его возникновения реализуются на высотах около 20-25 км над уровнем моря. Идеализируя картину, можно сказать, что весь озон в атмосфере распределен тонким шаровым слоем на высоте примерно 21 км. На рис.4.6 показано распределение количества озона с высотой.

**Рис. 4.6:** Распределение количества атмосферного озона с высотой над уровнем моря
$\begin{figure}\begin{center} \epsfxsize =0.8\textwidth\epsfbox{lfig4_6.eps}\end{center}\end{figure}$

Малое количество озона в атмосфере обладает замечательными оптическими свойствами. При поглощении энергии молекулой газа происходят переходы электронов с одного энергетического уровня на другой, а также изменения ее колебательной и вращательной энергии. Эти процессы -- квантованные и ведут к образованию линий поглощения, причем малые изменения колебательной энергии и еще меньшие -- вращательной, создают тонкую структуру полос поглощения. Избыточное электронное возбуждение приводит к ионизации молекул, а избыточное возбуждение колебательных уровней -- к их диссоциации. Ионизация и диссоциация -- процессы не квантованные; они происходят с поглощением широкого диапазона длин волн (континуума). Эти процессы формируют полосы поглощения озона.

Главная полоса поглощения озона -- полоса Гартли. Максимальное поглощение достигается в ней у длины волны $\lambda 2552\AA$ . Здесь для толщины слоя озона 0.3 см ослабление составляет 10 ${}^{40}$ раз. Оно убывает в коротковолновую сторону до 10 ${}^{5.6}$ при $\lambda2020\AA$ и в длинноволновую сторону до 10 ${}^{6.3}$ при $\lambda2972\AA$ . Эта полоса полностью поглощает все излучение, которое могли бы зарегистрировать фотокатоды в области чувствительности от 2500 $\AA$ до 3000 $\AA$ . При $\lambda>3000\AA$ к полосе Гартли примыкает область полос Хюггинса. Коэффициенты

в области этих полос показаны на рис.4.7 в зависимости от длины волны.

**Рис. 4.7:** Полосы Хюггинса поглощения озоном
$\begin{figure}\begin{center} \epsfxsize =0.8\textwidth\epsfbox{lfig4_7.eps}\end{center}\end{figure}$

В области полос Хюггинса располагаются крылья ультрафиолетовых полос пропускания наших фотометрических систем. Непостоянство количества озона в атмосфере ведет к неправильному учету поглощения. При различных условиях количество озона в атмосфере может меняться примерно в 2 раза, так что высота однородной атмосферы озона может составлять то 0.2, то 0.4 см. Существует систематическое изменение количества атмосферного озона с широтой. Количество озона относительно велико в северных полярных широтах, далее убывает к югу, сравнительно мало в области между 35 ${}^{\circ}$ с.ш. и 35 ${}^{\circ}$ ю.ш., затем нарастает, и вторичный максимум приходится на 50 ${}^{\circ}$ - 60 ${}^{\circ}$ ю.ш. Над Антарктидой намечается новый ``провал''. Количество озона изменяется с сезоном. В средних широтах северного полушария максимум (0.43 см) наступает в середине марта, а минимум (0.27 см) в октябре. Вообще, максимальное значение содержания озона, зарегистрированное на земном шаре, составляет 0.76 см (это рекордное значение зарегистрировано на острове Кергелен 20 октября 1967 г.), а минимальное значение (в ``озонных дырах'') равно 0.09 см. Для наблюдателя наиболее опасен тот факт, что содержание озона может меняться более или менее случайным образом в течение суток и амплитуда этих изменений сравнима с амплитудой широтных и сезонных вариаций. Междусуточные изменения содержания озона могут быть очень велики. Так, на озонометрической станции на острове Кергелен в 1968 году были получены следующие данные: 22 марта - 0.583 см; 23 марта - 0.749 см; 25 марта - 0.283 см.

Кроме ультрафиолетовой области озон поглощает еще в слабых, но очень широких полосах Шаппюи в визуальной области спектра. Показатели поглощения для этих полос показаны на рис.4.8

**Рис. 4.8:** Полосы Шаппюи поглощения озоном
$\begin{figure}\begin{center} \epsfxsize =0.8\textwidth\epsfbox{lfig4_8.eps}\end{center}\end{figure}$

4.4 Поглощение света атмосферным озоном