中高层大气物理学第三章4Mesosphere中间层O课件.ppt

1、LOGOPHYSICS OF THE MIDDLE AND UPPER ATMOSPHERE中高层大气物理学中高层大气物理学Mesosphere2011O3的光化平衡与垂直输运对于30 km以下的区域，由于V、V都比较大，从而、较小。此时忽略对流传输项，仅考虑光化平衡，必然会有较大误差。假定光化平衡时，计算得到的n3随高度、纬度的分布。在40 km以上，纬度效应不明显。在低高度上，太阳直射的低纬应产生更多的O，故n3也应该较大。但测量的结果显示，30 km以上两者基本相符，30 km以下低纬的n3 反而比高纬小。O3垂直分布的重心在赤道较高，两极较低。这表明赤道地区的垂直对流强烈，垂直输运使O

2、3的重心抬高。中间层O3中间层内不能再认为氧原子n1很少，在应是n1 n3的情况。中间层内三体碰撞的可能性减小了。忽略输运过程时如果忽略三体碰撞的作用，并且考虑在白天J3 k13n1所以中间层内O3的光化平衡时间是这个时间是很短的，所以O3处于光化平衡状态中间层O在O3处于光化平衡状态时O在中间层内的光化平衡时间是70 km以下(O)1021 JHO2的大气范围内OH和HO2并假定a5=a7对于中间层上部并且nH大于nOH和nHO2。H对n1的影响由于新的反应加入，决定n1的方程变为（忽略了a1、a3、a4、JHO2）O与OH、HO2的反应将使n1变小。因为a5 a7 4 1011cm3 s1

3、，在较低的高度上，当k12nMn2达其最大值处，OH和HO2的作用并不明显。但在中间层，特别是中间层的上部，必须考虑它们的影响。在75 km上，k12nMn2 103s1，而nOH 107cm3，则a5nOH可达同一量级；在85 km（中间层顶附近）nOH 106cm3，对氧原子的消失起重要的作用。所以，在中间层内，不考虑氢成分存在所得到的n1(z)只是最大的可能值。在中间层顶，只考虑以上化学反应机制仍不能得到与现实相符的结果，这是因为热层低部的氧原子寿命较长，它们可通过输运过程向下运动。因此对于热层低部的n1分布情况，还需要考虑那里的输运条件。H对n1的影响考虑到H与O3的作用后在平衡时有代

4、入(1)只考虑nH是重要的，略去k13n1，即J3a J3+a3nH。并消去n3(1)H对n1的影响此式相应于中间层（及热层低部）的光化条件。在中间层顶高度上，采用下式就认为有较好的近似（略去n12项）由于nH是重要的，可以进一步近似为H对n3的影响对于平流层和中间层下部，可假定氧原子处于光化平衡态，而且n1较小，略去n12项代入(1)在较低高度上（即在平流层及中间层的低部），一般满足以下关系(1)在平流层的影响到达平衡时若不考虑H成分的影响，n3的光化平衡值回到纯氧大气模型时的值相比之下，H成分的作用等效于O3的光分解速率系数有了增加。引入等效光分解速率系数在平流层内，A的第一项较小（忽略）

5、，取a5=a7在平流层的影响考虑OH和HO2的反应后，平衡态下O3的垂直分布。在35 km以下，O3的垂直分布偏离光化平衡条件下的值，这说明确定O3的分布时，必须考虑输运过程的作用。在中间层的影响在平流层顶以上，A中的两项都需要考虑修正项(1+A)1/2在平流层顶约为1.5，到了中间层顶已增至100。H的作用使n1和n3都有了较大程度的降低。总结H成分的作用在平流层内，H对O和O3的分布影响不大。但35 km以下，由于不可能处于光化平衡态，还需要考虑输运过程。在中间层内，不考虑H的作用时n1和n3的平衡值都偏大。在热层低部，也需考虑H的光化反应，在那里n3是处于光化平衡态的，但讨论n1时还需包

6、括自热层向下的输运过程。N和和NON和NO是高层大气中占重要地位的次要成分。虽然N2是最大量的大气成分，但产生N和NO的过程并不很直接。与O2相比，N2的分解速率很小，其直接分解不可能是生成N的主要来源N2的电离，及随后的分解复合应是高空N的主要生成过程IN2是光电离速率系数。由此产生N2+后进一步的反应有有了N就会产生NO，它是形成电离层D层的主要成分，也是气辉研究的重要对象之一。N和O生成NO的主要过程是上述三个反应中，b1c是最小的；当nM 5 105cm3时，包含N与OH的反应，在光化平衡时用b7n7表示氮原子所有可能的消失过程nN和nNO由于JNO 5106s1，而b6nN 105s

7、1，故忽略JNO，上式可近似为在平衡态时，即联立得解得nN和nNO考虑以下两种极限情况若由N2分解为N的过程远大于NO光分解的作用，即P(N)JNOn NO，则若从N2分解产生N的过程是次要的，即JNOnNO P(N)，则由上式可知即当P(N)比较大时，nNO可达到光化平衡值。而当P(N)变小时，NNO 也变小。随着P(N)变小，nN却变大。总结综合以上讨论，N和NO的生成、消失的主要反应过程以上讨论主要适用于平流层上部和中间层。因为在电离层内，由于O2+、O+、N2+离子的参加，还需考虑N、NO产生和消失的其它反应。在热层低部，这些离子已开始增多，其中N2+与O2或O作用而生成NO+，那时的O2+和NO+是主要的离子成分。N2+与电子结合而分解为N原子时，其中一部分是处于激发态的N(2D)，而激发态的N原子会使热层低部的nNO光化平衡值仍低于观测值。这是因为相当部分的NO是在更高的电离层内形成，然后向下扩散输运而来。