大氣臭氧測量

大氣臭氧的測量包括鉛直氣柱中臭氧總量的測量和臭氧濃度鉛直分布的測量兩種。測量方法分直接法和間接法:前者對臭氧進行采樣分析;后者在臭氧層外進行測量，大都用光譜分析方法。臭氧測量結(jié)果，除采用通常的單位表示外，還用多布森單位，記為DU，它等于千分之一厘米(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)臭氧層厚)。

臭氧間接測量法光譜分析法是觀測穿過大氣層的太陽直射光或散射光的光譜，然后計算出臭氧含量及其鉛直分布。在臭氧吸收帶中(見大氣臭氧層)，太陽直射光或散射光穿過大氣層，受到臭氧分子的吸收，并受到氣體分子和氣溶膠粒子的散射。波長為λ的單色太陽光，通過大氣層時輻射強度的削弱服從比爾定律:

式中Ioλ、Iλ分別為通過大氣層前后的輻射強度;αλ為臭氧的吸收系數(shù),βλ為單位鉛直氣柱空氣的散射系數(shù);ζλ為氣溶膠粒子的散射系數(shù);μ為光線通過臭氧層的路徑長度和鉛直厚度的比;m為光線通過大氣層的路徑長度和鉛直厚度的比;Ω為臭氧總量;θ為天頂角。其中μ、m和secθ均隨天頂角θ的增大而增大,故透過的光強Iλ隨天頂角的增大而減小。為了消除大氣的影響，可以選擇臭氧吸收差異大的兩個波段,兩個波長λ、λ′的輻射強度之比的對數(shù)

同太陽天頂距secθ成直線關(guān)系，其斜率為tgφ，則臭氧總量Ω為

測量臭氧的常用光學(xué)儀器有多布森分光光度計和M-83濾光片臭氧儀。多布森分光光度計被認(rèn)為是測量臭氧的標(biāo)準(zhǔn)儀器。其他類型的儀器都必須定期用它校準(zhǔn)。M-83濾光片臭氧儀主要在蘇聯(lián)和歐洲的部分國家使用。

多布森分光光度計G.M.B.多布森在1931年制成了測量紫外輻射(3000~3400埃)的分光光度計(見圖)。太陽光通過兩個棱鏡的折射分光，借助轉(zhuǎn)動輪和擋光板，使從紫外區(qū)選擇的兩條不同波長的單色光交替地落到光電接收器上，產(chǎn)生交流電，經(jīng)過放大和整流，輸出到微安計，就能指示臭氧含量。 光線經(jīng)過窗口W 進入儀器，通過狹縫S1射到水晶棱鏡D1，狹縫S2、S3、S4分離出三個狹窄的光譜帶，它們的波長分別是3110埃、3290埃和4435埃，其中第三個波長不受大氣臭氧的影響，它是用來測量大氣的透明度的。當(dāng)光線通過這些狹縫以后，射落到與D1完全相同的對稱的棱鏡D2上，再次分光后，都通過狹縫S5，射到光電管上。在S3的前面，放置了兩塊光楔ω，其方向相對，可以連續(xù)調(diào)節(jié)通過S3的光強。轉(zhuǎn)動輪上面有三個開口，在輪子轉(zhuǎn)動的時候，調(diào)好擋光板的位置，于是讓S2及S3的光線，或者S3及S7的光線交替通過，在光電管上感應(yīng)的信息經(jīng)放大,整流輸出。波長大于3110埃的太陽輻射,經(jīng)棱鏡和透鏡表面，可能散射到光電管上引起干擾。采用雙棱鏡系統(tǒng)以后，可以抑制這種影響。調(diào)節(jié)光路上光楔的位置,使微安計電流為零,利用事先做好的光楔位置對應(yīng)

曲線的刻度，測量時讀出

值，從而可計算臭氧總量。為了提高測量精度，采用兩組波長進行觀測。通用的波長有四組:A組(3055埃、3254埃),B組(3088埃、3291埃)，C組(3114埃、3324埃)，D組(3176埃、3398埃)。為了進一步消除氣溶膠粒子的影響,多用A、D兩組波長聯(lián)合測量大氣臭氧。

M-83濾光片臭氧儀用濾光片分光，用電光光度計接收。為了消除大氣和氣溶膠的影響，除了臭氧吸收波段外，還有幾條測量大氣透明度的波段。M-83濾光片臭氧儀共有8個通道。第1通道(0.298微米)在哈特萊帶的邊緣，臭氧有較強的吸收;第2通道(0.326微米)在哈根斯帶,臭氧有較弱的吸收，臭氧吸收量在第1通道比在第2通道大幾十倍之多。第3~8通道(0.344~0.627微米)用以測量大氣透明度,以訂正大氣臭氧測量中分子散射和大顆粒散射作用。

其他用氣象衛(wèi)星也可以測得全球臭氧的分布。如雨云4號衛(wèi)星上用后向散射紫外光譜儀(BUV)和紅外干涉光譜儀(IRIS)進行大氣臭氧的觀測。前者測量大氣對太陽光的后向紫外散射，它接收2500~3400埃中12個波段的紫外光譜，由此反演出大氣臭氧含量全球的分布;后者除了測量大氣溫度和濕度外,還測量大氣臭氧(9.6微米波段，在此波段中接收 4個波長的輻射)。將這兩種光譜儀結(jié)合起來，可以探測大氣臭氧濃度隨高度的分布，例如在雨云 6號衛(wèi)星上，有臨邊輻射反演輻射儀(LRIR)，它接收大氣臭氧9.6微米輻射帶的信息,用輻射傳輸方程反演，可獲得臭氧的鉛直分布。

臭氧直接測量法用電化學(xué)或化學(xué)發(fā)光方法測量臭氧含量，可不受大氣透明度和天氣條件的限制，白天或黑夜均可進行觀測。

電化學(xué)方法測量臭氧:將含臭氧的空氣通過碘化鉀水溶液，其反應(yīng)為 O3+2KI+H2O→I2+2KOH+O2

反應(yīng)生成的碘分子數(shù)與臭氧含量成正比，當(dāng)溶液中加進正(鉑)、負(fù)(銀或汞)電極和一個外電勢后，回路中的電流正比于碘分子數(shù)，所以由測得的電流可以求得臭氧含量。

化學(xué)發(fā)光法:用一種含有有機物若丹明B(rhodaminB)的硅土膠熒光粉和臭氧反應(yīng)，反應(yīng)中所發(fā)出的熒光和臭氧濃度成正比，再用光電倍增器測量發(fā)光強度即可測得臭氧含量，但其結(jié)果是相對值，經(jīng)常要用其他臭氧儀器校準(zhǔn)。這種方法反應(yīng)快又無原子氧干擾，適用于室外測量。一般除在地面上使用外，還可制成探空儀進行高空測量，高度可達(dá)30公里。

若用火箭攜帶小型水晶光譜儀或濾光片測量高空的臭氧分布，測量的高度可大為增加。

臭氧測量方法各有優(yōu)缺點，常常要用多種方法互相補充，互相比較，以求獲得完整可靠的資料。