高层大气

  本文应和《地球的大气层和气体层》一起阅读。不过本文的不同之处在于它描述了气象层之上的高层大气，这个高度的每一种气体成分就仿佛独立存在。离子和电子在此与惰性气体相互混合，产生了一层包裹地球的等离子层。

  大气各层通常用洋葱层的形式加以呈现，各层之间的交互很少（请参阅《地球的大气层和气体层》）。这种分层的建立主要是考虑到温度的区别。为了研究太空环境（请参阅《太空气象及其对地球的影响》），我们通常使用另一种分类[1]。从大气的较低层（均质层）到高层大气（非均质层），海拔高度的变化超过85km。

1. 对流层

  地球大气中，干燥空气主要由氮分子（78%）和氧分子（21%）组成。经典气象学的研究范围是从地球表面到平均海拔12千米（赤道地区约为17千米，两极地区约为8千米）高度的区域。该层称为“对流层”，这层的空气会不断地搅动，使其成分混合[2]。

  地球大气上界以太阳垂直角度每天文单位[3]，每秒接收到的太阳辐射能为1361瓦/平方米（W/m2）（请参阅《太阳的能量》）。因为地球是个球体，所以地球接收到平均能量只有四分之一（即340.25W/m2）：其中70%的能量用于加热地球表面，剩余的30%被反射或散射回太空。

  该大气层有何物理特征？根据指数定律，气压和密度作为海拔的函数根据指数定律而下降（请参阅《地球的大气层和气体层》）。随着海拔的升高，对流层的温度呈线性降低，每千米降低6-7摄氏度。大气密度值则非常依赖空气的相对湿度水平。

  上述定律反映了一个众所周知的事实，即“热空气因为更轻，所以会上升”。随着热空气上升，逐渐冷却，密度增加，进而就会下沉（请参阅《动力学定律》），如此形成了对流单元。另一方面，当海拔较高处的大气比海拔较低处的温暖时，大气环境趋于稳定：因为冷的，较重的空气会停留在底部。

2. 平流层

  对流层顶之上至高约50千米的范围内是平流层，这层的特征是水分会逐渐消失。直接进入大气的太阳辐射（特别是紫外线），或是从地面再度反射的辐射能都不再将水蒸气转化为小水滴。它主要用于解离分子，具体而言，臭氧分子（由三个氧原子组成的分子）在大约40千米处的解离效率最高，而氧分子在大约20-25千米处的解离效率最高。这些解离过程会产生热量，即发生放热反应，因此平流层的气温会随着高度的增加小幅度上升。

  由于平流层对紫外线的过滤作用，生命得以在地球上存活发展（请阅读《一位天文学爱好者兼地质学家眼中的生命起源》）。平流层的温度会随着海拔高度的增加而上升，这与其下的对流层不同。

3. 中间层

  平流层的上限约为50千米，称为平流层顶。再往上，就进入了中间层，臭氧浓度进一步降低。分解臭氧的过程尽管会向外释放热量，但不再形成热源，因此在中间层当海拔高度增加，温度会逐渐降低。这发生在大约85千米的高度上。中间层是地球大气层中鲜为人知的部分，它太高以至于无法从地表轻松地测量或用探空气球探测其参数，而对于卫星飞行高度来说它的海拔高度又太低。我们通过其他途径，例如激光勘测和对其自身辐射的研究得以了解中间层。

  在上文描述的所有“低层”中，分子和原子混合在一起形成均质的气体，大气温度、浓度或者其他相关概念名词可以应用于整个大气。这就是为什么从地面到85千米范围内的大气被称为均质层。每立方米土壤约包含1025个颗粒，均质层顶大气每立方米约包含1019个颗粒。地表气压约为1015百帕（hPa），有时也称为大气压强。

4. 非均质层

  在均质层之上是非均质层，它的特性从20世纪无线电通信出现后才得以探索。随后，先进的雷达技术和卫星观测揭示了一种复杂的动态介质，一种由带电粒子和其它中性粒子相混合组成的气体。这一层仍然存在许多未解的问题，特别是它对于陆地生态系统（请参阅《生物圈，地质过程的主要参与者》）以及地球生命出现所起到的作用问题（请参阅《一位热爱天文学的地质学家眼中的生命起源》）。

  非均质层的特征在于，分子和原子的浓度变得非常低，至于它们之间不再存在任何湍流混合情况：最重的元素停留在下层，最轻的“漂浮”在上层。每一种组分都仿佛独立存在。在整个均质层中普遍存在的理想气体行为（可参考热力学），如今也分别适用于氮气、氧气和氢气。直接的结果是它们的浓度发生了指数变化，但是衰减因子不同：约80千米处，氮分子占主导地位，其次是氧分子；250千米往上，氧原子占大多数；在约1000千米处，氢是最多的元素。

  非均质层的一个基本特征是对极紫外线（EUV）辐射（可参考“Waves”）[4]具有过滤作用。正如我们已知，均质层能够有效地过滤部分太阳光中的紫外线。但是，根据太阳活动（请参阅《太阳的能量》），太阳还会释放出更高的辐射能量，称为“极紫外线”和“X-紫外线”（请参阅《黑体的热辐射》）。这种辐射能如果到达地球表面，将阻止所有生命在地球上生存发展。

  “极紫外线”和“X-紫外线”是如何被过滤的？通过三个公认的过程。第一个过程是电离：通过从撞击的原子和分子中去除外围电子来吸收辐射，从而产生电子和离子。第二个过程是激发：通过振动、旋转原子或从原子核中提取电子来吸收辐射。第三个可能的过程是通过将分子分解成多个部分来吸收辐射。经过一段时间（1毫秒到超过100秒），被激发的粒子会通过化学再复合或自发性的光子发射（可能是可见的）返回到平衡状态。离子和电子重新组合。原子最终再合成分子。但是由于太阳通量是永久的，激发态、离子和电子的生成和消失过程之间存在着平衡关系。所以高层大气阻止了极紫外线下降到80千米以下的高度。

5. 电离层和热层

  在低海拔地区，例如在对流层中，如果电闪雷鸣之类的现象产生离子和电子，它们会立即重新结合并生成原子或分子，因为大气层密度较高，它们无法活动很远，最多只有几毫米，并不会击中新的粒子（请参阅《雷暴：空中之电》）。在80千米之上，情况就不同了：那里大气非常的稀薄，离子和电子在遇到另一原子、分子或其它离子之前可以传播10到200千米的距离。

  这里的环境与我们所有熟悉的事物截然不同，这是一种惰性气体、或多或少被激发的离子和电子的混合物。这种混合物称为等离子体，在本研究中被称为大气等离子体。惰性气体层被命名为热层。由离子和电子结合而成的电离气体是电离层。它们形成永久共存的混合物，叫做高层大气。高层大气通常被认为海拔高度在70千米以上，到达磁场独立控制的高度为止（请参阅《磁层：在地球与太阳的共同作用之下》）。因此，它包括了部分均质层和整个非均质层。

  高层大气的特性与仅由惰性粒子组成的常规气体大不相同，因为带电粒子的运动对电场和磁场都很敏感（请参见《太空气象及其对地球的影响》）。但是，带电粒子在大气组成中所占的比例相比于惰性气体来说较低：在100千米的高度约占十亿分之一，在1000千米的高度约占十分之一。

  大气等离子体的特性也是相当多变的。因此，在同一天内，我们可以看到400千米高度处的电子浓度增加了一倍，也可以看到电子和离子的温度变化了数百开尔文。确实，大气等离子体的特性非常密切地依赖于极紫外线下的太阳辐射，因此也依赖于太阳活动（请参阅《太阳的能量》）。在400千米的高度上，太阳的冷静期中离子和电子的温度可能看起来很高：离子大约1000K，电子大约1500K。但是，这些值相比于特别活跃的太阳期时可能达到的值是比较低的：离子温度可以达到3000K，电子温度可以达到9000K。

 

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参考资料及说明

[1] 行星大气的起源和演化，T. Encrenaz，Belin-CNRS版本，ISBN 2-7011-2361-5，2000

[2] 气候学概论，Hufty，德伯克大学，ISBN 2-8041-3711-2，2001

[3] 一个天文单位是太阳和地球之间的平均距离，即149,597,870,700米（约1.495亿千米）

[4] 太阳系，T. Encrenaz，J.P. Bibring，M. Blanc，M.A. Barucci，F. Roques，P. Zarka，CNRS Ed. – EDP Sciences, ISBN 2-86883-643-7, 2003