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太陽輻射與光吸收的物理化學過程

更新時間:2013-05-21點擊次數:4185

太陽輻射到地球外空氣層的光是一種連續光譜,其波長在0.7~3000nm之間。穿過大氣層時,長波輻射部分被水蒸氣和二氧化碳吸收,zui后只有紅外輻射的短波部分達到地球表面。波長在175nm以下的短波紫外輻射可被海拔100km以上大氣層中的氧氣所收。175~290nm的紫外輻射在通過海拔15km以上的同溫層時,被其臭氧層中的臭氧(海拔25~30km間臭氧濃度zui高)所吸收。太陽光所留下的紫外部分,即300~400nm的輻射,引起聚合物的降解。

除了部分紫外光可被臭氧吸收之外,還必須考慮到大氣中的空氣和懸浮粒子(水滴和塵埃)對太陽光造成的散射。因此,造成塑料老化的輻射,即達到地球表面的輻射,由太陽的直射光(“太陽輻射”)和散射光(“天空輻射”)兩部分組成。光散射能力。

與波長的四次方成反比(瑞利定律),這意味著在陰天,即使太陽的直射光被云層吸收而減弱,但由于短波的散射光更容易達到地面,因此地表的紫外光反而會增強。

總輻射之強度和頻譜分布,大體上是太陽與地球之間隨晝夜和季節而變化的相對位置的函數。通過其位置,即可確定光線穿過大氣層的厚度以及被吸收的情況。下表列出垂直照射到地表的數據。從中可見,引起聚合物降解的紫外部分僅占總輻射的6%

地表上垂直照射各波長光線之強度

波長/nm

強度/W/m2

比例/%

280

0

0

280~400

68

6.1

400~800

580

51.8

800~1400

329

29.4

1400~3000

143

12.7

總輻射光譜波長的下限(吸收限),基本取決于同溫層中的臭氧層對宇宙線部分的吸收。這種吸收是很陡峭的,即輻射強度在非常窄的波長范圍內發生。由于臭氧層濃度隨季節和地理位置而不同,短波吸收限的位置和短波輻射的強度也隨季節和地理位置而異。下圖所示的是波長為297.5nm的紫外光強度與緯度和季節之間的關系,其中,光線的強度是太陽處在相應的不同季節日期的zui高位置時,以太陽光直射成垂直的地球平面上波長為297.5nm光強的計算值。從中可見,在赤道上輻射強度變化很小,而北緯50°的光強隨季節的變化可相差三個數量級。

除了紫外輻射外,還應考慮溫度、濕度和區域氣候。這是由于溫度升高后,熱降解可能與光降解相互重疊,甚至占主導地位。另外,水也可能通過抽提、水解以及參與含有某些顏料或鈦粉的光化學反應而影響降解過程。根據大氣的光學性質,還應注意大氣中存在各種有機物,其中包括可導致生成氧化劑煙霧的光化學產物。這些有機物甚至可以破壞同溫層中的臭氧層。

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