高层大气

upper atmosphere - haute atmosphere

  此文应该与《地球的大气层和气体层》一起阅读。但是,这篇文章的不同之处在于它描述了气象层之上的高层大气,在这个高度每一种气体成分就仿佛独立存在。在那里,离子和电子与惰性气体相互混合,产生了一层围绕包裹地球的等离子层。

  大气各层之间交互很少以洋葱层的形式呈现(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85 km。

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]

  地球和太阳之间的平均距离为一个天文单位[3] ,每平方米地球大气上界以垂直角度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,所以地球能接收到平均能量只有四分之一(即340.25 W/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。

  该大气层的物理特征有哪些?根据指数定律,气压和密度会随着海拔的变化函数而降低(请参阅《地球的大气层和气体层》)。随着海拔的升高,对流层的温度会呈线性降低,每千米降低6-7摄氏度。大气密度值则高度依赖于空气的相对湿度水平。

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图1. 从国际空间站看到的日出。高度相对较低,在太阳升起处呈现红色的大气层是均质层;而蓝色那层为平流层。[图片来源:NASA]

  上述提到的准则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暖和时,大气环境就趋于稳定: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),或是从地面重新发射的辐射能都不再用于将水蒸气转化为小水滴。它主要用于解离分子,尤其是臭氧分子(由三个氧原子组成的分子)在约40千米处的解离效率最高,氧分子在约20-25千米处的解离效率最高。这些解离过程会产生热量,它们是放热反应,因此平流层的气温会随着高度增加小幅度上升。

  由于平流层对紫外线的过滤作用,这使得生命得以在地球上存活发展(请阅读《一位热爱天文学的地质学家所见的生命起源》)。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,这被称为平流层顶。再往上,就进入了中间层,该层臭氧浓度又进一步降低。分解臭氧的过程尽管会向外释放热量,但不再成为热源,因此在中间层当海拔高度增加,温度逐渐降低。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来了解中间层。

  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,所以我们可以将一个大气温度、浓度和相关概念名词应用于整个大气。这就是为什么从地面到85千米这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被探索。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,特别是关于它在陆地生态系统(请参阅《生物圈,地质过程的主要参与者》)以及地球生命的出现中的作用(请参阅《一位热爱天文学的地质学家所见的生命起源》)。

环境百科全书-高层大气-高层大气离子浓度
图2. 中纬度(45°N)的上层大气剖面。左侧呈现了海平面至600千米的大多数惰性粒子的浓度,右侧展现了温度。实线是太阳冷静期的典型值,虚线是太阳活跃期的典型值。

  非均质层的特征在于,分子和原子的浓度变得非常低,以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一般发生作用。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,氢是最丰富的元素。

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图3. 从国际空间站看到的上层大气:在海拔高度约100至300千米之间出现了极光现象。[图片来源:NASA]

  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,因为大气层很稠密,它们不能活动地很远,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200千米这么远的距离。

  因此,这里的环境与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。这种混合物被称为等离子体,在本研究中被称为大气等离子体。惰性气体层被称为热层。由离子和电子结合而成的电离气体,被称为电离层。这种永久共同存在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。

  它的特性与仅由惰性粒子组成的常规气体有很大不同,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1000 K,电子大约1500 K。但是,这些值相比于特别活跃的太阳期时它们能达到的值是较低的:离子温度可以达到3000 K,电子温度可以达到9000 K。

 


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


译者:韦乐田                编审:谭吉华              责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: LILENSTEN Jean (2022), 高层大气, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/the-upper-atmosphere/.

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