太陽電磁波與大氣中物質的相互作用

蔡輝劍 雷光臨

(鄭州大學“河南省激光與光電信息技術重點實驗室” 河南 鄭州 450001)(新鄉醫學院 河南 新鄉 453003)

2008年9月27日 “神舟7號”的宇航員翟志剛出艙活動，在距離地面343 km的太空，用19 min35 s的時間，跨越太空9 165 km.他穿的價值3千萬元人民幣的“飛天”航天服,其功能之一就是使航天員免受太空的太陽電磁輻射.太空的太陽電磁波和照射到地面的太陽電磁波相比,其頻率和強度都發生了變化.

太陽電磁波的頻率范圍與強度分布

太陽電磁波譜分布從波長短于10～5 nm直到波長超過10 km.按波長從短到長的次序依次為γ射線、X射線、紫外線，可見光、紅外線、微波和無線電波.

太陽電磁波的強度與頻率的關系如圖1所示.輻射的強度與頻率有關，其中，可見光波長范圍大約是從380 nm到720 nm，它與紅外線的輻射能量占了太陽總輻射能量的92%.

圖1 太陽電磁輻射通過大氣層時的變化

從圖1對比在大氣層外和在海平面處的太陽電磁波，其強度隨頻率的分布情況和總輻射通量都發生了變化. 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.發生這種變化的原因是太陽電磁波在進入大氣層以后，與大氣層中物質發生了各種相互作用，包括反射、散射和吸收等等.

地球外大氣狀況

地球外大氣總質量達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定.大氣層大體可分為四個部分：第一層為對流層，是大氣底部對流運動顯著的區域，因氣流垂直的運動而得名.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.大氣質量的78%集中于對流層,水汽主要也處在這一層內，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動而得名.這一層的頂界距地面50～80 km.由內到外又分為同溫層、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高度的區域，濃度可以達到12 ppmV.波長在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高度區域.波長在220 nm～90 nm的紫外線主要被100 km以下的氧分子吸收.波長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以上的區域，主要是由氦組成，比氦層更高的范圍內則是質量更小的氫或者稱質子層.

大氣對太陽電磁波的反射和散射

大氣層對射向地球的太陽電磁波的作用首先是反射，即太陽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，按幾何光學的規律被反射的情況，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.包括地面在內的反射結果使得照射到地球上的太陽電磁波能量的30%返回到大氣中或者說地球的反照率為0.3.相比之下沒有大氣層的月球其反照率僅為0.07.

其次是散射，當太陽輻射的電磁波遇到大氣中的分子等微粒時，除了按幾何光學規律傳播的光線外，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：分子散射和懸浮質點的散射.十分純凈的大氣對太陽電磁波的散射即屬于分子散射.大氣中的煙塵、水汽產生的散射即屬于懸浮質點散射.分子散射遵從瑞利(Ray leigh)散射定律——散射光強與入射電磁波波長的四次方(λ4) 成反比，即波長越短被散射的越強.蔚藍的天空就是因為可見光中短波長的藍紫光被散射顯著的原因. 根據瑞利散射定律，更短波長的紫外線、X射線以及γ射線被散射的會更顯著. 懸浮點散射只發生在距離地球表面較近的對流層內，散射光強和波長的關系不明顯.

大氣層對太陽電磁波的吸收

除了反射和散射外，大氣層還對太陽電磁波有吸收現象. 吸收的種類可能有光電效應、康普頓-吳有訓效應和電子對的產生這三種形式.

光電效應是指一個光子和一個原子相碰撞時，將自身的全部能量賦予該原子的一個電子，使電子脫離該原子而發射出去.光子本身則全部被原子吸收.發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.

Ee=hν-W

光電效應對金屬而言，一般是把外層電子發射出去，而大氣中的分子主要是非金屬，將其電子發射出去更加困難；另一方面，通過光電效應對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越短時，由光電效應引起的對光子的吸收要降低. 從這一對矛盾可以看出，在大氣中發生光電效應的可能性很小.還有就是光電效應和吸收物質

的核電荷數有關，核電荷數越大吸收越大，而大氣中的分子的核電荷數都不是很大,故對光電效應可以不予考慮.

康普頓-吳有訓效應，指的是光子和原子中的一個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射出來.如圖2所示，這個過程中，不僅能量守恒而且動量也守恒.這種吸收與單位體積內的電子數密度成正比，也和光子的能量有關——對低能光子要比對高能光子的吸收能力強. 但是應注意,在康普頓-吳有訓效應中出現的散射現象和前述的分子散射不是一回事.

圖2 康普頓-吳有訓效應 圖3 電子對的產生

物質對光子吸收的第三種形式是電子對的產生.根據相對論原理電子的能量為

E=m0c2=0.511 MeV

對于能量大于1.022 MeV的光子，在通過物質時與原子核相互作用，會產生一個電子和一個正電子，稱為電子對，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，但不一定是平均分配. 光子能量大于1.022 MeV時，能量越高，吸收越多.

小結

根據以上分析，可以得到如下結論：對于波長小于220 nm的紫外光X射線以及γ射線被大氣層吸收，主要產生電子對，這與該高度處于電離層的事實相符.分子散射也對短波長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，康普頓-吳有訓效應對波長大于220 nm的紫外線的吸收起到主要作用，吸收物質主要是臭氧. 此外，波長為1～24 μm的紅外線，吸收物質有有二氧化碳、水汽、臭氧和其他分子等. 吸收機制也是康普頓-吳有訓效應.