Re: [問題] 臭氧為什麼集中在平流層？ - 生態環境討論

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
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※ Piin:轉錄至看板 EarthScience 01/10 05:26

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