光化層

光化層（chemosphere）指大氣分子受太陽紫外輻射影響而產生光化反應的大氣層，其距地表高度約20～110公里之間。

基本介紹

• 中文名：光化層
• 外文名：chemosphere
• 高度：20—110km
• 產生範圍：距地表約20～110公里之間的氣層

概念

光化層（chemosphere）指距地表約20～110公里之間，大氣分子受太陽紫外輻射影響而產生光化反應的大氣層。

背景介紹

按照分子組成，大氣可分為兩層，即均質層和非均質層。均質層為從地表至85km高度的大氣層，除水汽有較大變動外，其組成較均一。85km高度以上為非均質層，其中又可分為氮層（85～200km）、原子氧層（200～1100km）、氦層（1100～3200km）和氫層（3200～9600km）。非均質層質量雖只有大氣總質量的0.01%，卻對地球上的生物起著很重要的作用。它能過濾太陽輻射的高能部分，避免生物被離子化或燃燒，又是地面擴散污染物的強氧化場所。

按大氣化學和物理性質，可分為光化層和離子層。光化層具有分子、原子和自由基組成的化學性質，其中包括大約20km高度處、O3濃度最大的臭氧層。其他活躍成分包括原子氧（O） 、羥基（OH）、氫過氧基（HO2）等。離子層包含大量離子，有反射無線電波能力。從下而上又分為D、E、F1、和G層，各層中離子含量為1×103～1×106/cm³。

化學變化

在距地表約20～110公里之間的氣層中，化學變化較其上或其下的氣層為盛，在這層內各高度的大氣密度和成分不同，而且流星餘燼又使其成分複雜化，太陽輻射的紫外部分的強度，也足以使其中成分發生光分解或光電離等作用，被分解或電離的物質在一定條件下又能互相發生化學反應。例如在平流層中有分子氧光解為原子氧、分子氧和原子氧組合成臭氧、臭氧分解等化學過程，平流層中的臭氧層就是化學過程所造成的。又如在中層有水汽光解為原子氫和氫氧基的過程等。這些化學反應往往隨晝夜、季節、緯度和高度而變化，加上湍流和大氣環流又可以將反應物帶到一起，這又增加了化學反應的複雜性和頻繁性。

離地表95～110公里為勻和層到非勻和層的過渡層。在光化層以上的非勻和層內，各高度的空氣成分比較單純。由於那裡屬逆溫層，空氣較為穩定，沒有湍流使各高度不同成分的氣體加強混合，而且密度較小，即使在強太陽輻射作用下，也難以發生化學變化。主要發生的只是電離等物理反應。

在光化層以下的氣層中，波長短於0.3微米的太陽輻射基本上已被其上氣層所吸收，到達的多為波長大於0.3微米的電磁波。它們在低層較密的大氣中傳播時，僅起到照明和加熱等物理作用。這層內僅存在由人類活動所致的污染物造成的大氣化學變化。

高層大氣化學

高層大氣化學分為中性成分化學和離子成分化學兩部分。前者著重研究50~110公里高度中性成分化學，後者研究60~500公里或整個電離層離子成分化學。中性成分化學反應最激烈的地方是光電層。

反應的能源

太陽光是使高層大氣成分光解的主要能源。太陽短波輻射照射地球大氣，大氣分子吸收太陽輻射而被激發，即為大氣化學反應的初級過程;激發態成分再與其他分子相互作用稱為次級過程。激發態可以是分子的轉動或振動能級的激發，也可以是原子的電子能態的激發，或分子和原子的電離等。

常見的初級過程有:①光致激發，即原子A在光子hv作用下變成激發態原子的過程(A+hv─→A*);②光致離解,即分子AB在光子作用下分解成原子或簡單分子的過程(AB+hv─→A+B);③光致電離,即分子或原子在光子作用下變成離子AB+和電子e的過程(AB+hv─→AB++e)。由於激發態成分生存時間很短(除某些亞穩態外，一般為億分之一秒)，它們一經形成就進入次級化學反應。

常見的次級過程主要有:①去活(又稱去激發)或猝滅，激發態成分跟其他原子或分子M相碰撞而丟失能量,以致不能再產生光子,不再有化學發光(A*+M─→A+M);②離解,激發態成分分解為原子或簡單分子的過程(AB*+M─→A+B+M);③能量轉移(A*+B─→A+B*)和原子互換(A*+BC─→AB+C)。

中性成分

地球大氣的主要成分是N2和O2，分別占78%和21%,其次是惰性氣體Ar,占0.93%。其餘均為微量成分。這個比例大致維持到90公里高度。但在熱層，那裡的基態氧原子O(3P)數量很大,其濃度接近和超過N2和O2,有時也把O(3P)稱為主要成分。

在高層大氣化學中，微量成分主要是指各種化學性質活潑的自由基，具有或長或短生存時間的激發態分子和原子。其中一個重要類型是亞穩態成分。它是生存時間比較長的激發態中性成分或離子成分，在高層大氣化學中占有重要地位。

中性成分的化學反應

主要有光致離解、光致電離、光致激發、螢光或共振散射(在光致激發後，被激發的原子或分子將直接返回基態或中間激發態，伴隨著特徵輻射的發射，當激發和輻射波有相同波長時，該過程稱共振散射，而輻射波長不同於吸收光波長時，該過程稱螢光)、猝滅、原子互換、原子複合(如A+B+M-→AB+M)等反應。其中，原子複合和原子互換反應較普遍。雙原子複合成一個分子,過剩能轉化成輻射,這在某些氣輝線的激發上較重要。在中間層和低熱層大氣中，原子互換反應能激發某些重要氣輝帶，例如羥基(OH)邁納爾帶氣輝。

在中性成分化學中，中間層是值得特別注意的區域，因為這裡是水汽和氧分子光致離解的重要區域，而且光致離解產物的化學生存時間較長(但不超過幾小時)，影響中性成分的空間分布。

光電層反應

化學反應最激烈的地方，一般位於對流層頂以上的20~110公里高度上。這裡,太陽短波輻射使大氣中一些重要成分光解，由此產生的原子、分子及激發態成分間發生一系列化學反應並構成大氣活動的主要特徵。通常稱這一區域為光化層。在光化層上部100公里附近,氧分子因吸收波長約為1370~1750埃的太陽輻射而離解(這個譜段稱為氧分子舒曼-龍格離解連續譜)，是那裡最重要的光致離解過程。在較低高度，氧分子對波長約為1850~2430埃的太陽輻射具有較弱的吸收，該輻射也能使它離解(這個譜段稱為氧分子赫茨伯格離解連續譜)。