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  • 高层大气物理

    主要研究高层大气中发生的各种物理过程。由于高层大气中的化学过程常同光学和粒子碰撞等物理过程有关,因此常常将高层大气物理作广义的理解,也包括光化学过程的研究。

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    高层大气物理/高层大气物理 编辑

      
      19世纪以前,人们对极光和夜气辉(夜天光的一部分)等高层大气的发光现象就作过观察。19世纪末,人们开始由地面磁场的日变化和磁暴等推算和研究高空感应电流和磁场。20世纪初,电离层的发现和无线电波传播的研究,对高层大气物理的研究起了促进作用。同时也展开了高层大气的潮汐、声波、重力波以及光化学等现象的研究。火箭、卫星技术的出现和发展,使得高层大气物理的研究取得了更加迅速的发展。50年代初,发现了高层大气密度随太阳活动有数百倍的变化;还发现了高层大气中存在氦层。非相干散射雷达和激光雷达等先进的地面探测设备,能对高层大气进行多参数的长期监测。70年代以后,发射了专门研究高层大气的综合探测卫星,如“探险者”C、D、E和“大气卫星”(Aeros)等。大气综合探测卫星能同时测量太阳辐射、大气辐射、中性成分、离子成分、空间电场和磁场等。通过综合测量,可以深入分析高层大气的一些重要的多因素过程,如光化学过程、各种加热机制、中性大气与电离层的耦合等。高层大气物理过程主要有:
      扩散平衡  是决定高层大气各成分空间分布的主要过程。大气由80公里以下的均匀混合状态逐渐过渡到120公里以上的分子扩散平衡状态。各成分数密度ni按自己的标高Hi随高度Z作指数衰减,

    ,

    式中ni为高度ZO处该成分的数密度。标高Hi正比于大气温度,反比于该成分分子量。即温度愈高,分子量愈小,数密度随高度的衰减愈慢。结果是,重的成分较多地集中在低处,轻的成分较多地集中在高处。因此,氧原子在200公里以上变成高层大气的重要成分;大约在1000公里以上氦气成为主要成分;而在约2000公里以上就是氢原子为主了。这种水平分层结构是高层大气的最主要结构形式,是在重力作用下扩散平衡的结果。
      能量平衡  太阳紫外辐射和 X射线使高层大气粒子激发、分解和电离,部分太阳辐射能量转换成高层大气热能。主要吸热层在100~200公里高度。因此使得大气温度由80~90公里间的200K,迅速增加到 200公里处的800~900K。以后,温度随高度的增加渐缓,到500公里时接近大气顶层温度,再向上温度基本上保持不变。
      由太阳风变化引起的磁层扰动,能通过电磁感应在高纬的高层大气中产生强电流。这一电流以焦耳热的形式把电能转变成热能,使极区大气温度提高几百度。此外,太阳宇宙线以及来自磁尾的高能带电粒子注入极区,也可引起极区高层大气温度的增加。因太阳活动和磁层扰动所引起的高层大气温度的变化很大(大气顶层温度),其变化范围约为600~2000K。
      高层大气运动  高层大气的分子尺度的运动有分子扩散、动量粘性传输和分子热传导等。在80~120公里间湍流也很重要。高层大气的宏观运动有全球尺度的环流和潮汐,也有周期为几分钟至几小时的声重波。在高层大气中,中性部分和电离部分因受力不同,运动状态也不同。但由于两部分粒子间的碰撞频繁,所以两部分的运动有很强的相互影响。虽然热源和热汇的存在,是推动中性部分运动的主要原因,但电离部分的离子牵引力和离子阻力是中性部分运动的重要的作用力。
      高层大气与低、中层大气的耦合  高层大气内的运动现象有些是从低、中层大气中传过来的。高层大气潮汐的成因之一是由平流层和中层大气中臭氧吸收太阳紫外辐射所造成的。低、中层大气中各种扰动所形成的声重波,其波动能量往上传到高层大气后转变成热能,也成为推动高层大气运动的热源。有些在低、中层大气中的不明显的重要物理现象能在高层大气中显示出来,如大气潮汐和声重波(见高层大气动力学)。这时,高层大气就相当于一个“滤波器”。此外,高层大气与低、中层大气间的耦合,还通过质量传输、动量传输、能量传输以及电磁场作用等形式进行。
      高层大气与磁层的耦合  因太阳活动加强或太阳耀斑暴发时引起的强烈的磁层扰动,往往也能带动高层大气中带电成分和中性成分一起做剧烈运动。这样引起的高层大气全球动力过程一般是几小时,比低、中层大气的动力过程快得多。
      此外,高层大气与磁层间还通过质量传输,动量传输,能量传输及电磁场作用等进行着耦合。
      参考书目
     赵九章等编著:《高空大气物理学》,上册,科学出版社,北京,1965。
     S.-I.Akasofu and S.Chapman, Solar-terrestrial Physics,Oxford Univ. Press, Oxford, 1972.

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