Поглощение Шаппюи
Поглощение Шаппюи ( Французский: ʃapɥi] ) относится к поглощению электромагнитного излучения озоном [ , что особенно заметно в озоновом слое , который поглощает небольшую часть солнечного света в видимой части электромагнитного спектра . Полосы поглощения Шаппюи встречаются на длинах волн от 400 до 650 нм . В этом диапазоне находятся два максимума поглощения одинаковой высоты при 575 и 603 нм. [1] [2]
По сравнению с поглощением ультрафиолетового света озоновым слоем, известным как поглощение Хартли и Хаггинса, поглощение Шаппюи значительно слабее. [3] Наряду с рэлеевским рассеянием оно способствует голубому цвету неба и заметно, когда свету приходится пройти длинный путь через атмосферу Земли . По этой причине поглощение Шаппюи оказывает существенное влияние на цвет неба только на рассвете и в сумерках , в так называемый синий час . [4] Он назван в честь французского химика Джеймса Шаппюи (1854–1934), открывшего этот эффект. [5]
История
[ редактировать ]Джеймс Шаппюи был первым исследователем (в 1880 году), заметившим, что свет, проходящий через озон, имеет синий оттенок. Он объяснил этот эффект поглощением желтой, оранжевой и красной частей светового спектра. [6] Французский химик Огюст Узо уже показал в 1858 году, что атмосфера содержит следы озона, поэтому Шаппюи предположил, что озон может объяснить синий цвет неба. Он, конечно, осознавал, что это не единственное возможное объяснение, поскольку синий свет, который можно увидеть с поверхности Земли, поляризован. Поляризация не может быть объяснена поглощением света озоном, но может быть объяснена рэлеевским рассеянием , которое было известно уже во времена Шаппюи. Современные ученые считали, что рэлеевского рассеяния достаточно, чтобы объяснить голубое небо, и поэтому идея о том, что озон может играть определенную роль, в конечном итоге была забыта. [5]
В начале 1950-х годов Эдвард Халберт проводил исследования неба в сумерках, чтобы проверить теоретические предсказания о температуре и плотности верхних слоев атмосферы на основе рассеянного света, измеренного на поверхности Земли. [7] Основная идея заключалась в том, что после того, как Солнце уходит за горизонт, оно продолжает освещать верхние слои атмосферы. Халберт хотел связать интенсивность света, достигающего поверхности Земли за счет рэлеевского рассеяния, с количеством частиц на каждой высоте, поскольку солнечный свет проходит через атмосферу на разных высотах во время заката. В своих измерениях, проведенных в 1952 году на пике Сакраменто в Нью-Мексико , он обнаружил, что интенсивность измеренного света была в 2–4 раза ниже прогнозируемого значения. Его предсказания основывались на его теории и на измерениях, которые были сделаны в верхних слоях атмосферы всего за несколько лет до этого с помощью ракет, запущенных недалеко от пика Сакраменто. Величина отклонения между прогнозом и фотометрическими измерениями, выполненными на пике Сакраменто, исключала простую ошибку измерения . До этого теория предсказывала, что небо в зените во время заката должно быть от сине-зеленого до серого, а в сумерках цвет должен меняться на желтый. Это явно противоречило ежедневным наблюдениям о том, что голубой цвет неба в зените в сумерках меняется лишь незаметно. Поскольку Халберт знал о поглощении озоном, а спектральный диапазон поглощения Шаппюи был более точно измерен всего несколько лет назад французской парой Арлетт и Этьеном Васси, он предпринял попытку объяснить этот эффект в своих расчетах. Это привело измерения в полное соответствие с теоретическими предсказаниями. Результаты Халбурта неоднократно подтверждались в последующие годы. Действительно, не все цветовые эффекты в сумерках при ясном небе можно объяснить более глубокими слоями. Для этого, вероятно, необходимо учитывать спектральные вымирание аэрозолями . в теоретическом моделировании [8]
Независимо от Халбурта, французский метеоролог Жан Дюбуа за несколько лет до этого предположил, что поглощение Шаппюи влияет на другое цветовое явление неба в сумерках. Дюбуа работал над так называемой « тенью Земли » в своей докторской диссертации в 1940-х годах и предположил, что этот эффект также можно объяснить поглощением Шаппюи. [5] Однако эта гипотеза не подтверждается более поздними измерениями. [9]
Физическая основа
[ редактировать ]Поглощение Шаппюи представляет собой непрерывное поглощение в диапазоне длин волн от 400 до 650 нм. Это вызвано фотодиссоциацией (расщеплением) молекулы озона. Максимум поглощения лежит около 603 нм с сечением 5,23·10 −21 см 2 . Второй, несколько меньший максимум при ок. 575 нм имеет сечение 4,83·10 −21 см 2 . [2] Энергия поглощения в полосах Шаппюи лежит между 1,8 и 3,1 эВ . Измеренные значения подразумевают, что механизм поглощения практически не зависит от температуры; отклонение составляет менее трех процентов. В районе своих максимумов поглощение Шаппюи примерно на три порядка слабее поглощения ультрафиолетового света в области полос Хартли. [10] Действительно, поглощение Шаппюи — один из немногих заслуживающих внимания процессов поглощения видимого спектра в атмосфере Земли. [11]
На спектр поглощения полос Шаппюи на более коротких волнах накладываются частично нерегулярные и размытые полосы, вызванные молекулярными колебаниями . Неравномерность этих полос означает, что молекула озона лишь чрезвычайно короткое время находится в возбужденном состоянии, прежде чем она диссоциирует. [10] Во время этого кратковременного возбуждения он в основном испытывает симметричные колебания растяжения, хотя и с некоторым вкладом изгибных колебаний. [1] Непротиворечивое теоретическое объяснение структуры колебаний, согласующееся с экспериментальными данными, долгое время оставалось нерешенной задачей; даже сегодня не все детали поглощения Шаппюи можно объяснить теорией. [10]
Подобно поглощению ультрафиолетового света, молекула озона может разложиться на молекулу O 2 и атом O во время поглощения Шаппюи. Однако в отличие от поглощений Хартли и Хаггинса продукты распада не остаются в возбужденном состоянии. Диссоциация в полосах Шаппюи — важнейший фотохимический процесс с участием озона в атмосфере Земли ниже высоты 30 км. На этой высоте его перевешивают поглощения в полосе Хартли. Однако ни поглощения Хартли, ни поглощения Шаппюи не приводят к значительным потерям озона в стратосфере, несмотря на высокую потенциальную скорость фотодиссоциации, поскольку элементарный кислород имеет высокую вероятность встречи с молекулой О 2 и рекомбинации обратно в озон. [12]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Богумил, Констанце (2005). Абсорбционная спектроскопия озона и других важных примесей атмосферных газов с помощью спутникового спектрометра SCIAMACHY в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра (PDF) (Диссертация) (на немецком языке). Бременский университет . стр. 21–26.
- ^ Jump up to: а б Брайон, Дж.; Чакир, А.; Шарбонье, Ж.; Даумон, Д.; Парисс, К.; Малисет, Дж. (1998). «Измерения спектров поглощения молекулы озона в области 350–830 нм» (PDF) . Журнал химии атмосферы . 30 (2): 291–99. Бибкод : 1998JAtC...30..291B . дои : 10.1023/A:1006036924364 . S2CID 25037900 .
- ^ Васкес, М.; Палле, Э.; Родригес, П. Монтаньес (12 марта 2010 г.). Земля как далекая планета: Розеттский камень для поиска землеподобных миров . Springer Science & Business Media. п. 159. ИСБН 9781441916846 .
- ^ Погода и климат Брокгауза: явления, прогноз, изменение климата (на немецком языке) (1-е изд.). Лейпциг : Брокгауз, Ф. А. 2009. с. 54. ИСБН 9783765333811 . OCLC 316287956 .
- ^ Jump up to: а б с Хеппе, Гетц (2007). Почему небо голубое: открытие цвета жизни . Издательство Принстонского университета . стр. 238–53. ISBN 978-0691124537 .
- ^ Отфильль, П.; Шаппюи, Ж. (1880). «О сжижении озона и о цвете в газообразном состоянии». Доклады Академии наук . 91 : 552–525.
- ^ Халбурт, Э.О. (1 июля 1938 г.). «Яркость сумеречного неба и плотность и температура атмосферы» . ДЖОСА . 28 (7): 227–236. дои : 10.1364/JOSA.28.000227 .
- ^ Ли, Раймонд Л.; Мейер, Вольфганг; Хеппе, Гетц (2011). «Атмосферный озон и цвета сумеречного неба Антарктики» (PDF) . Прикладная оптика . 50 (28): Ф162–71. Бибкод : 2011ApOpt..50F.162L . дои : 10.1364/AO.50.00F162 . ПМИД 22016241 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 апреля 2023 г. Проверено 6 сентября 2017 г.
- ^ Ли, Рэймонд Л. (01 февраля 2015 г.). «Измерение и моделирование сумеречного пояса Венеры» . Прикладная оптика . 54 (4): В194–В203. Бибкод : 2015ApOpt..54B.194L . дои : 10.1364/AO.54.00B194 . ISSN 2155-3165 . ПМИД 25967826 .
- ^ Jump up to: а б с Гребенщиков С. Ю.; Цюй, З.-В.; Чжу, Х.; Шинке, Р. (27 апреля 2007 г.). «Новые теоретические исследования фотодиссоциации озона в полосах Хартли, Хаггинса, Шаппюи и Вульфа». Физическая химия Химическая физика . 9 (17): 2044–64. Бибкод : 2007PCCP....9.2044G . дои : 10.1039/b701020f . ISSN 1463-9084 . ПМИД 17464386 .
- ^ Фишер, Герберт. «Взаимодействие радиации с атмосферой Земли: поглощение и излучение» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г.
- ^ «Первый промежуточный отчет исследовательской комиссии «Меры предосторожности по охране земной атмосферы».» ( PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Гётц Хёппе: Небесный свет. Отражение климата Земли. На сайте fu-berlin.de.
- Погодный лексикон: поглощение Шаппюи. На сайте deutscher-wetterdienst.de.