高層大氣結構
正文
高層大氣特徵參量的空間分布。地球大氣按其基本特性可分為若干層，但地球大氣本身是一個整體，各層是密切相關的，不存在絕對的界限。而且按照不同的特性，可以有不同的分層方法。比較常見的幾種分層法是：①根據熱狀態的特徵，大氣分為對流層、平流層、中間層、熱層和外層（又稱外逸層，或逃逸層）；②根據大氣成分隨高度分布的特徵，分為均勻層和非均勻層；③根據大氣的電離特徵，分為電離層和非電離層。電離層又可細分為 D層、E層和F層。（見彩圖） 對流層、平流層和臭氧層不屬於高層大氣的範圍，但由於高層大氣與它們的特性密切相關，也為了便於對比研究，這裡對它們也作簡略介紹。對流層是對流運動最顯著的大氣區域。其範圍從地面向上，在極區約10公里，在赤道地區可達15公里或更高。對流層上界稱為對流層頂。對流層內氣溫隨高度的增加而下降，平均氣溫的遞減率約為每公里6℃。
平流層是從對流層頂向上至約50公里(稱平流層頂)之間的區域。在平流層,氣溫隨高度增加而增加,增溫是由於臭氧(O3)吸收太陽近紫外輻射對大氣加熱的結果。由於O3吸收太陽紫外輻射使大氣加熱，H2O、CO2、O3的紅外輻射冷卻使大氣降溫，兩者相互作用所建立的熱平衡，決定了平流層內的溫度垂直分布情況。平流層內大氣的垂直對流很弱，主要是水平氣流,其平均速度達120公里／小時，就北半球而言,冬季為西風,夏季盛行東風。
臭氧層是平流層中的一個層次。大氣中的氧分子被太陽輻射光化分解後，所產生的氧原子又與周圍氧分子結合，生成臭氧。從10公里高度開始，大氣中的臭氧含量顯著增加，其最大值在20～25公里之間，到50公里高度，臭氧的含量已較少。臭氧是平流層溫度分布的決定因素。它對中間層的熱狀態也有一定的影響。
高層大氣各層的主要特性如下：
中間層 從平流層頂到約85公里(中間層頂)之間的區域。中間層的氣溫是隨高度增大而遞減的，在中間層頂，溫度降至最低,約190K。在此層內,O2吸收太陽輻射而使大氣加熱，CO2紅外輻射冷卻則使大氣降溫,這兩方面的作用決定了溫度的垂直結構。此外，行星波、內重力波(包括大氣潮汐)和湍流熱傳導等動力加熱，在極光帶附近還有高能粒子沉降加熱,對氣溫也有一些影響。同平流層一樣,中間層內在北半球夏季盛行東風,冬季為西風，最大風速在中緯地區60公里高度附近達 100米／秒。在中間層內，大氣中某些成分發生分解、電離、複合及其他各種光化反應，發生各種發光現象，如氣輝和極光。
平流層和中間層合起來，又稱中層大氣。
熱層 中間層頂以上為熱層。從熱層底部向上，大氣溫度迅速增加。其原因是這裡的大氣幾乎吸收了波長短於 1750埃的全部太陽紫外輻射，而輻射冷卻源（H2O、CO2）已極少了。確定熱層內溫度垂直分布時,還必須考慮氣輝的能量輻射損失和熱層底部大氣中氧原子的紅外輻射的冷卻作用。其他的熱源還有電離層電流（包括極區電急流）的焦耳加熱，低層大氣通過各種波動向上輸運的能量，及磁層向下輸運的能量。在極區，太陽粒子輻射的加熱，可超過紫外輻射的作用。因此，熱層內的熱量收支十分複雜。
由於太陽遠紫外輻射隨太陽活動的變化較大，故熱層溫度結構也受太陽活動的支配，而且有明顯的晝夜變化。
溫度梯度消失的高度稱為熱層頂,其高度約在300～500公里之間，但它隨太陽活動有很大變化,很難確切地指出這一高度的位置。
外逸層 熱層頂以上為外逸層或外層大氣，其溫度常高於1000K。由於其間氣體分子的自由程大,熱傳導快，可以近似地認為這裡的大氣是等溫的。外層大氣極稀薄，粒子間相互碰撞可以忽略，已不能再把它看作是連續流體，而只是一個個自由運動粒子的組合體。在地球引力場中，中性粒子的運動軌跡是圓錐曲線，其中速度較大的粒子，有可能擺脫引力而飛離地球。外層中，大氣的主要成分是氫和氦，這些粒子能散射太陽的某些紫外波段輻射，從而形成了包圍地球的暗淡紫外輝光，稱為地冕。在外層的較高處，電離的氫原子成為主要成分的區域，稱為質子層。1萬公里以上，又有內、外輻射帶,在這些區域內，必須考慮帶電粒子在地磁場作用下的各種過程。
均勻層 從地面到約90公里的空間，由於大氣溫度、氣壓、數密度的不均勻分布所產生的對流、湍流等混合作用，使得大氣各成分所占的體積百分比保持不變，稱為均勻層。均勻層大氣的平均分子量為28.966克／摩爾，為常數，各成分的體積百分比如表： 非均勻層 約90公里以上，由於氧分子的光化分解，以及重力擴散作用，使大氣成分的體積百分比隨高度而變,平均分子量不再是常數，即為非均勻層。在約100公里或稍高處，大氣的分子重力擴散與湍流混合強度達到同樣量級，該高度被稱為湍流層頂。湍流層頂以上，大氣服從重力擴散平衡分布。
電離層 從60公里開始，一直到大氣層的上界，都存在有電子、正離子和少量的負離子。在數百公里高度以下,根據電子密度隨高度分布，通常分為D層、E層和F層（F層白天分為 F1層和F2層）。電離層有較大的晝夜、季節和緯度的變化。通常在夜間E層已很難觀測到，而D層則完全消失（見電離層）。
