1、PHYSICS OF THE MIDDLE AND UPPER ATMOSPHERE中高層大氣物理學Mesosphere2011O3的光化平衡與垂直輸運對于30 km以下的區域，由于V、V都比較大，從而、較小。此時忽略對流傳輸項，僅考慮光化平衡，必然會有較大誤差。假定光化平衡時，計算得到的n3隨高度、緯度的分布。在40 km以上，緯度效應不明顯。在低高度上，太陽直射的低緯應產生更多的O，故n3也應該較大。但測量的結果顯示，30 km以上兩者基本相符，30 km以下低緯的n3 反而比高緯小。O3垂直分布的重心在赤道較高，兩極較低。這表明赤道地區的垂直對流強烈，垂直輸運使O3的重心抬高。中間層O3

2、中間層內不能再認為氧原子n1很少，在應是n1 n3的情況。中間層內三體碰撞的可能性減小了。忽略輸運過程時如果忽略三體碰撞的作用，并且考慮在白天J3 k13n1所以中間層內O3的光化平衡時間是這個時間是很短的，所以O3處于光化平衡狀態中間層O在O3處于光化平衡狀態時O在中間層內的光化平衡時間是70 km以下 (O) 1021 JHO2的大氣范圍內OH和HO2并假定a5 = a7對于中間層上部并且nH大于nOH和nHO2。H對n1的影響由于新的反應加入，決定n1的方程變為（忽略了a1、a3、a4、JHO2）O與OH、HO2的反應將使n1變小。因為a5 a7 4 1011cm3 s1，在較低的高度上

3、，當k12nMn2達其最大值處，OH和HO2的作用并不明顯。但在中間層，特別是中間層的上部，必須考慮它們的影響。在75 km上，k12nMn2 103s1，而nOH 107cm3，則a5nOH可達同一量級；在85 km（中間層頂附近）nOH 106cm3，對氧原子的消失起重要的作用。所以，在中間層內，不考慮氫成分存在所得到的n1(z)只是最大的可能值。在中間層頂，只考慮以上化學反應機制仍不能得到與現實相符的結果，這是因為熱層低部的氧原子壽命較長，它們可通過輸運過程向下運動。因此對于熱層低部的n1分布情況，還需要考慮那里的輸運條件。H對n1的影響考慮到H與O3的作用后在平衡時有代入(1)只考慮n

4、H是重要的，略去k13n1，即J3a J3 + a3nH 。并消去n3(1)H對n1的影響此式相應于中間層（及熱層低部）的光化條件。在中間層頂高度上，采用下式就認為有較好的近似（略去n12項）由于nH是重要的，可以進一步近似為H對n3的影響對于平流層和中間層下部，可假定氧原子處于光化平衡態，而且n1較小，略去n12項代入(1)在較低高度上（即在平流層及中間層的低部），一般滿足以下關系(1)在平流層的影響到達平衡時若不考慮H成分的影響，n3的光化平衡值回到純氧大氣模型時的值相比之下，H成分的作用等效于O3的光分解速率系數有了增加。引入等效光分解速率系數在平流層內，A的第一項較小（忽略），取a5

5、= a7在平流層的影響考慮OH和HO2的反應后，平衡態下O3的垂直分布。在35 km以下，O3的垂直分布偏離光化平衡條件下的值，這說明確定O3的分布時，必須考慮輸運過程的作用。在中間層的影響在平流層頂以上，A中的兩項都需要考慮修正項(1 + A)1/2在平流層頂約為1.5，到了中間層頂已增至100。H的作用使n1和n3都有了較大程度的降低。總結H成分的作用在平流層內，H對O和O3的分布影響不大。但35 km以下，由于不可能處于光化平衡態，還需要考慮輸運過程。在中間層內，不考慮H的作用時n1和n3的平衡值都偏大。在熱層低部，也需考慮H的光化反應，在那里n3是處于光化平衡態的，但討論n1時還需包括

6、自熱層向下的輸運過程。N和NON和NO是高層大氣中占重要地位的次要成分。雖然N2是最大量的大氣成分，但產生N和NO的過程并不很直接。與O2相比，N2的分解速率很小，其直接分解不可能是生成N的主要來源N2的電離，及隨后的分解復合應是高空N的主要生成過程IN2是光電離速率系數。由此產生N2+ 后進一步的反應有有了N就會產生NO，它是形成電離層D層的主要成分，也是氣輝研究的重要對象之一。N和O生成NO的主要過程是上述三個反應中，b1c是最小的；當nM 5 105cm3時，包含N與OH的反應，在光化平衡時用b7n7表示氮原子所有可能的消失過程nN和nNO由于JNO 5106s1，而b6nN 105s1

7、，故忽略JNO，上式可近似為在平衡態時，即聯立得解得nN和nNO考慮以下兩種極限情況若由N2分解為N的過程遠大于NO光分解的作用，即P(N) JNOn NO，則若從N2分解產生N的過程是次要的 ，即JNOnNO P(N) ，則由上式可知即當P(N)比較大時，nNO可達到光化平衡值。而當P(N)變小時，NNO 也變小。隨著P(N)變小，nN卻變大。總結綜合以上討論，N和NO的生成、消失的主要反應過程以上討論主要適用于平流層上部和中間層。因為在電離層內，由于O2+ 、O+、N2+ 離子的參加，還需考慮N、NO產生和消失的其它反應。在熱層低部，這些離子已開始增多，其中N2+與O2或O作用而生成NO+，那時的O2+ 和