太阳电磁波与大气中物质的相互作用

蔡辉剑 雷光临

(郑州大学“河南省激光与光电信息技术重点实验室” 河南 郑州 450001)(新乡医学院 河南 新乡 453003)

2008年9月27日 “神舟7号”的宇航员翟志刚出舱活动，在距离地面343 km的太空，用19 min35 s的时间，跨越太空9 165 km.他穿的价值3千万元人民币的“飞天”航天服,其功能之一就是使航天员免受太空的太阳电磁辐射.太空的太阳电磁波和照射到地面的太阳电磁波相比,其频率和强度都发生了变化.

太阳电磁波的频率范围与强度分布

太阳电磁波谱分布从波长短于10～5 nm直到波长超过10 km.按波长从短到长的次序依次为γ射线、X射线、紫外线，可见光、红外线、微波和无线电波.

太阳电磁波的强度与频率的关系如图1所示.辐射的强度与频率有关，其中，可见光波长范围大约是从380 nm到720 nm，它与红外线的辐射能量占了太阳总辐射能量的92%.

图1 太阳电磁辐射通过大气层时的变化

从图1对比在大气层外和在海平面处的太阳电磁波，其强度随频率的分布情况和总辐射通量都发生了变化. 300 nm以下的紫外线、X射线和γ射线几乎全部消失，其余部分的减弱情况也和频率有关.发生这种变化的原因是太阳电磁波在进入大气层以后，与大气层中物质发生了各种相互作用，包括反射、散射和吸收等等.

地球外大气状况

地球外大气总质量达5.2×1015t.其密度和组成成分随着距离地面高度的变化而变化，在确定的高度其组成基本稳定.大气层大体可分为四个部分：第一层为对流层，是大气底部对流运动显著的区域，因气流垂直的运动而得名.其厚度在两极约为7～10 km,中纬度处约10～12 km,赤道处约16～18 km.大气质量的78%集中于对流层,水汽主要也处在这一层内，其含量约为1%～5%.

第二层为平流层，因其下部的大气多平流运动而得名.这一层的顶界距地面50～80 km.由内到外又分为同温层、暖层和上部混合层.大气中的臭氧层就位于距离地面约30 km高度的区域，浓度可以达到12 ppmV.波长在290～220 nm的紫外线被臭氧层吸收.该层的水汽和尘埃很少，空气逐渐稀薄，其顶部紫外线强烈.

第三层为电离层，范围从80 km的高度延伸到700 km的高度.在太阳辐射等因素的作用下,高空气体分子电离成为正离子和自由电子.成为电子密度不同的几个高度区域.波长在220 nm～90 nm的紫外线主要被100 km以下的氧分子吸收.波长90 nm以下的紫外线及X射线、γ射线等在更高的高度上被吸收.

最外层是700 km以上的区域，主要是由氦组成，比氦层更高的范围内则是质量更小的氢或者称质子层.

大气对太阳电磁波的反射和散射

大气层对射向地球的太阳电磁波的作用首先是反射，即太阳电磁波遇到大气中的各种粒子(如空气的各种组成成分、水汽形成的云雾以及尘埃等等)后，按几何光学的规律被反射的情况，其中部分电磁波被反射回空间.反射后的电磁波只改变方向，不改变频率.包括地面在内的反射结果使得照射到地球上的太阳电磁波能量的30%返回到大气中或者说地球的反照率为0.3.相比之下没有大气层的月球其反照率仅为0.07.

其次是散射，当太阳辐射的电磁波遇到大气中的分子等微粒时，除了按几何光学规律传播的光线外，还有沿其他方向传播的光线，这些光线被称为散射光.散射可分为两大类：分子散射和悬浮质点的散射.十分纯净的大气对太阳电磁波的散射即属于分子散射.大气中的烟尘、水汽产生的散射即属于悬浮质点散射.分子散射遵从瑞利(Ray leigh)散射定律——散射光强与入射电磁波波长的四次方(λ4) 成反比，即波长越短被散射的越强.蔚蓝的天空就是因为可见光中短波长的蓝紫光被散射显著的原因. 根据瑞利散射定律，更短波长的紫外线、X射线以及γ射线被散射的会更显著. 悬浮点散射只发生在距离地球表面较近的对流层内，散射光强和波长的关系不明显.

大气层对太阳电磁波的吸收

除了反射和散射外，大气层还对太阳电磁波有吸收现象. 吸收的种类可能有光电效应、康普顿-吴有训效应和电子对的产生这三种形式.

光电效应是指一个光子和一个原子相碰撞时，将自身的全部能量赋予该原子的一个电子，使电子脱离该原子而发射出去.光子本身则全部被原子吸收.发射出去的电子能量等于入射光子的能量减去该种原子的功函数.

Ee=hν-W

光电效应对金属而言，一般是把外层电子发射出去，而大气中的分子主要是非金属，将其电子发射出去更加困难；另一方面，通过光电效应对光子的吸收能力和光子能量的三次方成反比，光子能量增高即波长越短时，由光电效应引起的对光子的吸收要降低. 从这一对矛盾可以看出，在大气中发生光电效应的可能性很小.还有就是光电效应和吸收物质

的核电荷数有关，核电荷数越大吸收越大，而大气中的分子的核电荷数都不是很大,故对光电效应可以不予考虑.

康普顿-吴有训效应，指的是光子和原子中的一个电子之间的弹性作用.入射的光子与电子相互作用后，把一部分能量传给电子.改变了前进方向的光子成为频率变小的散射光子.获得能量的电子沿另一方向从原子中发射出来.如图2所示，这个过程中，不仅能量守恒而且动量也守恒.这种吸收与单位体积内的电子数密度成正比，也和光子的能量有关——对低能光子要比对高能光子的吸收能力强. 但是应注意,在康普顿-吴有训效应中出现的散射现象和前述的分子散射不是一回事.

图2 康普顿-吴有训效应 图3 电子对的产生

物质对光子吸收的第三种形式是电子对的产生.根据相对论原理电子的能量为

E=m0c2=0.511 MeV

对于能量大于1.022 MeV的光子，在通过物质时与原子核相互作用，会产生一个电子和一个正电子，称为电子对，而光子完全消失.如图3所示. 光子能量中大于1.022 MeV的部分“hν-1.022 MeV”分配给电子对，但不一定是平均分配. 光子能量大于1.022 MeV时，能量越高，吸收越多.

小结

根据以上分析，可以得到如下结论：对于波长小于220 nm的紫外光X射线以及γ射线被大气层吸收，主要产生电子对，这与该高度处于电离层的事实相符.分子散射也对短波长电磁波的减弱起到重要作用. 在高度为30 km的臭氧层范围内，康普顿-吴有训效应对波长大于220 nm的紫外线的吸收起到主要作用，吸收物质主要是臭氧. 此外，波长为1～24 μm的红外线，吸收物质有有二氧化碳、水汽、臭氧和其他分子等. 吸收机制也是康普顿-吴有训效应.