這篇是我以前寫在大氣板，解釋平流層臭氧形成機制，
跟之前的臭氧洞問題有點相關，
轉過來給需要的人參考一下 :)
※ [本文轉錄自 TY_Research 看板]
發信人: [email protected] (Faith), 看板: TY_Research
標 題: Re: [問題] 臭氧為什麼集中在平流層？
發信站: 無名小站 (Wed May 4 02:11:08 2005)
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※ 引述《[email protected] (夢想與幸福)》之銘言：
> 大家都知道平流層臭氧比較多
> 那…為什麼會集中在平流層呢？
其實是因為有臭氧層所以才有平流層的....
臭氧主要吸收波長小於320 nm的紫外線 吸收的能量使周圍的大氣溫度升高
因為臭氧層的緣故 溫度不像在對流層內一樣隨高度下降
而是逐漸隨高度升高 所以這一層相當穩定 (冷空氣在下 暖空氣在上)
與對流層不同 被定義為平流層
有趣的是平流層頂(50km)溫度最高 臭氧卻不是最多的
這是因為平流層頂臭氧雖少 該波段的紫外線卻很強
而臭氧吸收紫外線的能力很好 即使濃度少 仍可以攔截相當多紫外線並加熱大氣
所以在臭氧濃度最高的地方(25~30km)該波段紫外線一大部分都已被上方的臭氧吸收
溫度上升反而不多
至於為什麼臭氧是在25~30km的高度濃度最高
往上至中氣層或往下至對流層濃度都減少呢?
這個要由臭氧形成與消失的化學反應來看
先看臭氧的形成反應 氧分子先被波長小於240 nm的紫外線光解成兩個氧原子:
jO2
O2 + hv -----> O + O (1)
氧原子會很迅速與氧分子反應形成臭氧:
k2
O + O2 + M -----> O3 + M (2)
其中M是third body, 通常直接想成是空氣分子 碰撞後會把氧原子帶的高能量帶走
形成的臭氧因此穩定下來 不會因為逆反應再分解回O + O2
臭氧形成後會被波長小於320 nm的紫外線光解
jO3
O3 + hv -----> O2 + O (3)
但是這樣臭氧還沒有真的消失 因為反應(3)產生的O又可以跟氧分子反應
也就是再走一次反應(2)形成臭氧
但是O如果是跟臭氧反應的話
k4
O + O3 -----> 2O2 (4)
變成兩個氧分子 臭氧才真的消失
上面四個反應合稱為Chapman Mechanism 是決定臭氧濃度的重要機制
反應(2)跟反應(3)的速度比(1)跟(4)快很多
所以可以O3跟O可以很快速地彼此轉換 但是產生O與摧毀O3的速度卻很慢
通常把O3跟O看成同一族並稱之為Ox (odd oxygen family)
而Chapman Mechaism可以簡化成下圖:
-----------------
jO2 | k2 | k4
O2-----> | O <-----> O3 | -----> O2
| jO3 |
----------------- Ox
反應(1)控制Ox的生成 反應(4)控制其消失
在40km以上高度大氣很稀薄 紫外線又強 所以氧分子不夠多
反應(1)能形成的Ox有限 而且Ox也比較多以氧原子O存在
(因為O3很快被光解成O) 因此臭氧濃度較低
而在20km以下 氧氣濃度雖高 但是240nm的紫外線都在上方被吸收掉了
所以產生的Ox總量很少 儘管Ox中以O3居多 仍然不及25~30km附近的濃度
所以臭氧層的高度就是240nm紫外線還夠強 氧分子夠多
Ox也多以O3形式存在的位置
上面是定性的說法 如果由反應方程解出O3濃度的穩定解
再把這個解隨高度的變化畫出來 也會得到濃度在25~30km最高且向上向下遞減的結果
不過由Chapman Mechanism解出的臭氧濃度會比實際量測的濃度高
(可以參考這個圖:http://www.ems.psu.edu/~brune/m465/m465f027.jpg)
因為在平流層還有其他化學物質會與Ox反應
(像是氫氧基家族HOx family, 氮氧基家族NOx family, 鹵素家族ClOx,BrOx...)
其結果大多是加速反應(4)的進行 讓Ox變少
稱為Catalytic loss cycle
上面所說的可以參考這份講義
http://www.gps.caltech.edu/~ac171/AC171_2005_lecture07.pdf
會有比較清楚的式子跟圖
--
夫兵者不祥之器物或惡之故有道者不處君子居則貴左用兵則貴右兵者不祥之器非君子
之器不得已BBS telnet://bbs.wretch.cc 開個人板 超快 不用連署不可得志於天下
矣吉事尚左凶事尚右偏將軍居左上將軍居右言以喪禮處之殺人之眾以哀悲泣之戰勝以
喪禮處之道常無名樸雖小天下莫能臣侯王若能守之萬物將自賓天地相合以降甘露民莫
之令而自均始制有名名亦既有夫亦將知止知止可以不殆DHCP-228-177.caltech.edu海
--
跟之前的臭氧洞問題有點相關，
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標 題: Re: [問題] 臭氧為什麼集中在平流層？
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※ 引述《[email protected] (夢想與幸福)》之銘言：
> 大家都知道平流層臭氧比較多
> 那…為什麼會集中在平流層呢？
其實是因為有臭氧層所以才有平流層的....
臭氧主要吸收波長小於320 nm的紫外線 吸收的能量使周圍的大氣溫度升高
因為臭氧層的緣故 溫度不像在對流層內一樣隨高度下降
而是逐漸隨高度升高 所以這一層相當穩定 (冷空氣在下 暖空氣在上)
與對流層不同 被定義為平流層
有趣的是平流層頂(50km)溫度最高 臭氧卻不是最多的
這是因為平流層頂臭氧雖少 該波段的紫外線卻很強
而臭氧吸收紫外線的能力很好 即使濃度少 仍可以攔截相當多紫外線並加熱大氣
所以在臭氧濃度最高的地方(25~30km)該波段紫外線一大部分都已被上方的臭氧吸收
溫度上升反而不多
至於為什麼臭氧是在25~30km的高度濃度最高
往上至中氣層或往下至對流層濃度都減少呢?
這個要由臭氧形成與消失的化學反應來看
先看臭氧的形成反應 氧分子先被波長小於240 nm的紫外線光解成兩個氧原子:
jO2
O2 + hv -----> O + O (1)
氧原子會很迅速與氧分子反應形成臭氧:
k2
O + O2 + M -----> O3 + M (2)
其中M是third body, 通常直接想成是空氣分子 碰撞後會把氧原子帶的高能量帶走
形成的臭氧因此穩定下來 不會因為逆反應再分解回O + O2
臭氧形成後會被波長小於320 nm的紫外線光解
jO3
O3 + hv -----> O2 + O (3)
但是這樣臭氧還沒有真的消失 因為反應(3)產生的O又可以跟氧分子反應
也就是再走一次反應(2)形成臭氧
但是O如果是跟臭氧反應的話
k4
O + O3 -----> 2O2 (4)
變成兩個氧分子 臭氧才真的消失
上面四個反應合稱為Chapman Mechanism 是決定臭氧濃度的重要機制
反應(2)跟反應(3)的速度比(1)跟(4)快很多
所以可以O3跟O可以很快速地彼此轉換 但是產生O與摧毀O3的速度卻很慢
通常把O3跟O看成同一族並稱之為Ox (odd oxygen family)
而Chapman Mechaism可以簡化成下圖:
-----------------
jO2 | k2 | k4
O2-----> | O <-----> O3 | -----> O2
| jO3 |
----------------- Ox
反應(1)控制Ox的生成 反應(4)控制其消失
在40km以上高度大氣很稀薄 紫外線又強 所以氧分子不夠多
反應(1)能形成的Ox有限 而且Ox也比較多以氧原子O存在
(因為O3很快被光解成O) 因此臭氧濃度較低
而在20km以下 氧氣濃度雖高 但是240nm的紫外線都在上方被吸收掉了
所以產生的Ox總量很少 儘管Ox中以O3居多 仍然不及25~30km附近的濃度
所以臭氧層的高度就是240nm紫外線還夠強 氧分子夠多
Ox也多以O3形式存在的位置
上面是定性的說法 如果由反應方程解出O3濃度的穩定解
再把這個解隨高度的變化畫出來 也會得到濃度在25~30km最高且向上向下遞減的結果
不過由Chapman Mechanism解出的臭氧濃度會比實際量測的濃度高
(可以參考這個圖:http://www.ems.psu.edu/~brune/m465/m465f027.jpg)
){kind=link}
因為在平流層還有其他化學物質會與Ox反應
(像是氫氧基家族HOx family, 氮氧基家族NOx family, 鹵素家族ClOx,BrOx...)
其結果大多是加速反應(4)的進行 讓Ox變少
稱為Catalytic loss cycle
上面所說的可以參考這份講義
http://www.gps.caltech.edu/~ac171/AC171_2005_lecture07.pdf
會有比較清楚的式子跟圖
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夫兵者不祥之器物或惡之故有道者不處君子居則貴左用兵則貴右兵者不祥之器非君子
之器不得已BBS telnet://bbs.wretch.cc 開個人板 超快 不用連署不可得志於天下
矣吉事尚左凶事尚右偏將軍居左上將軍居右言以喪禮處之殺人之眾以哀悲泣之戰勝以
喪禮處之道常無名樸雖小天下莫能臣侯王若能守之萬物將自賓天地相合以降甘露民莫
之令而自均始制有名名亦既有夫亦將知止知止可以不殆DHCP-228-177.caltech.edu海
→ mtdas:堆 140.115.17.102 05/04
→ mtdas:推 打錯 = = 140.115.17.102 05/04
推 TURNON:推..... 203.71.166.204 05/04
推 Morbert:推薦這篇文章..140.127.179.226 05/04
推 wormhua:所以是因為有臭氧層才有平流層 而不是因平流層 140.115.36.216 05/05
→ wormhua:的存在 才使得臭氧濃度高!我們似乎誤會了這因果 140.115.36.216 05/05
→ wormhua:這真的是很少人會去思考的問題...... 140.115.36.216 05/05
推 kiss:解釋的好詳盡 茅塞頓開 上了一課呢 真好꘠140.109.211.241 05/09
推 Vanic:好讚的文章 203.71.87.1 06/05
※ Piin:轉錄至看板 EarthScience 01/10 05:26 --
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