高层大气

地理学术语

高层大气，是指地球大气开始电离（约60千米）以上的大气区域。高层大气上界的层状结构已不明显，由于收到太阳辐射的缘故，高层大气粒子速度很高，这些大气粒子有可能克服地球引力的束缚而逃离地球大气层，而宇宙空间的气体粒子也有可能进入高层大气。

简介

高层大气，是指地球大气开始电离（约60千米）以上的大气区域。对于高层大气起始高度的划分不尽一致，如有人把探空气球可上升到30千米高度作为高层大气下限，也有人把中间层顶（约80千米）以上的大气区域称为高层大气。高层大气上界的层状结构已不明显，由于收到太阳辐射的缘故，高层大气粒子速度很高，这些大气粒子有可能克服地球引力的束缚而逃离地球大气层，而宇宙空间的气体粒子也有可能进入高层大气。

性质

高层大气的热状态受太阳紫外辐射加热所控制，使得约80千米以上大气温度随高度增高而增大，并随时间、经纬度、太阳活动、磁层扰动等而变化。太阳紫外辐射造成高层大气氧分子的分解。太阳紫外辐射和X射线又使N2、O2和O等电离形成电离层。高层大气粒子受太阳辐射激发和太阳高能粒子的轰击，能产生气辉、夜光云、极光等发光现象。

大气成分

高层大气稀薄的程度虽说比人造的真空还要“空”，但是在那里确实还有气体的微粒存在，而且比星际空间的物质密度要大得多，然而，它们已不属于气体分子了，而是原子及原子再分裂而产生的粒子。以80-100公里的高度为界，在这个界限以下的大气，尽管有稠密稀薄的不同，但它们的成分大体是一致的，都是以氮和氧分子为主，这就是我们周围的空气。而在这个界限以上，到1000公里上下，就变得以氧为主了；再往上到2400公里上下，就以氦为主；再往上，则主要是氢；在3000公里以上，便稀薄得和星际空间的物质密度差不多了。

自地球表面向上，大气层延伸得很高，可到几千公里的高空。根据人造卫星探测资料的推算，在2000-3000公里的高空，地球大气密度便达到每立方厘米一个微观粒子这一数值，和星际空间的密度非常相近，这样2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大气的上界。

大气分层

地球大气按其基本特性可分为若干层，但按不同的特性有不同的分层方法。常见的分层方法有：

①按热状态特征，可分为对流层、平流层、中间层、热层和外层（又称外逸层或逃逸层）。

接近地面、对流运动最显著的大气区域为对流层，对流层上界称对流层顶，在赤道地区高度约17～18千米，在极地约8千米；从对流层顶至约50千米的大气层称平流层，平流层内大气多作水平运动，对流十分微弱，臭氧层即位于这一区域内；中间层又称中层，是从平流层顶至约80千米的大气区域；热层是中间层顶至300～500千米的大气层；热层顶以上的大气层称外层大气。

②按大气成分随高度分布特征，可分为均匀层和非均匀层。

均匀层是指从地面到约80千米的大气层，因其大气各成分所占的体积百分比保持不变。均匀层的平均分子量为28.966克/摩尔，为一常数。非均匀层为80千米以上的大气区域，不同大气成分所占的体积百分比随高度而变，平均分子量不再是常数。

③按大气的电离特征，可分为电离层和中性层。

中性层又称非电离层，是指以中性成分为主的大气层。电离层又可分为D层、E层和F层。

在80千米以下，大气处于均匀混合状态；而在约80千米以上，大气湍流逐渐消失，逐渐过渡到分子扩散平衡状态，约在120千米以上达到完全扩散平衡。扩散平衡就是在重力场作用下，大气中重的成分分布于低层，轻的成分分布于高层，使得大气的平均摩尔分子量随高度递减。高层大气中除分子运动外，还有全球尺度的环流、潮汐和声重波等宏观运动。

太阳辐射

对高层大气有重要影响的三类太阳发射：X射线、质子（1~100MeV）、低能等离子体（≈1000km/s）。

（1）X射线到达地球的时间为8.3分钟，地球物理效应：电离层突然骚扰；

（2）质子（1~100MeV）到达地球的时间需要几小时，地球物理效应：太阳质子事件；

（3）低能等离子体（≈1000km/s）到达地球的时间为1-2天，地球物理效应：磁暴和极光。太阳风的带电粒子与地球两级上层大气相撞，就产生了极光现象。

1eV=1.602*10-19焦耳

1MeV=1.602*10-13焦耳

与电离层耦合

大气波动驱动电离层变化时涉及到大气层-电离层系统的垂直耦合，是近年来高层大气物理学研究中颇受关注的领域。

高层大气与电离层之间的耦合形式有：

（1）MLT区域的大气波动与附近的低电离层相互作用，如通过风剪切导致中纬电离层E层（其高度与MLT区域有重叠）的金属离子电荷堆积形成突发E层等不均匀体；

（2）MLT大气波动的能量继续上传（或泄漏）到上热层/电离层F2层，通过中性粒子与带电粒子的碰撞激发电离层等离子体密度的波动起伏，同时在低纬和赤道区触发等离子体不稳定而产生电离层不均匀体；

（3）在中、低纬地区，MLT大气波动驱动带电粒子运动，切割背景磁场的磁力线，通过发电机效应产生电离层电场，并沿磁力线映射到低纬或赤道上空的F2层，引起等离子体漂移，导致赤道异常等大尺度电离层不均匀分布。

大气探测

高层大气的探测方法可分为间接法和直接法。中国高层大气观测的新发展，包括激光雷达、FP干涉仪、全天空气辉成像仪等光学探测，MsT雷达、全天空流星雷达等无线申探测手段。

间接法

在观测目标以外（主要在地面），利用探测仪器观测高层大气中的物理现象如流星、极光、气辉等，推算不同高度的大气成分、密度和温度；或通过研究声、光、电波在大气中的传播特性，及其穿透大气时所发生的变化，探测大气不同高度上的密度、温度和电离程度等。

直接法

利用飞机、气球、火箭和人造地球卫星等飞行器，把探测仪器带到所要观测的空间，测定飞行器周围的大气参量；或通过研究空间环境对飞行器的影响，如卫星的大气制动来探测大气密度。

高层大气研究卫星（UARS）

高层大气研究卫星（UARS：The Upper Atomsphere Reserach Satellite)是美国NASA20世纪80年代就开始实施的“行星地球使命”中的第一个主要任务，用于进行系统综合性的平流层研究，并提供中间层和热层的新资料，帮助确定高层大气在气候和气候变率中的作用。

Odin小卫星

Odin是一颗天文和中高层大气研究双重任务的科学小卫星，由瑞典、加拿大、芬兰和法国的空间机构共同研制，2001年2月20日发射升空，上天后的任务运行和控制由瑞典的Earange空间中心负责。卫星平台使用反作用轮、星跟踪器和陀螺仪实现三轴稳定。卫星总质量250kg（其中载荷80kg），太阳能帆板提供功率340W。飞行轨道是太阳同步圆形轨道，高度600km，升交点时间18:00，每天绕地球15圈。自发射上天后，Odin为科学家提供了大量臭氧层损耗（O3、NO2、OCIO、HNO3、NO、N2O、O4等）的资料，Odin的观测还可用于平流层云和气溶胶气候效应的研究。

TIMED卫星

作为NASA太阳—地球探测计划中的先期项目，热层—电离层—中间层能量和动力学卫星TIMED（Thermosphere Ionosphere Energetics and Dynamics），于2001年12月7日升空。其轨道是太阳同步圆轨道，高度625km，倾角74°。TIMED具有很高的自主运行能力，即自检测和自调整功能；电子模块集成度高，某些部件更加小型和轻型化；用星载GPS接收机进行精密定轨，大大减少了地面的定轨和遥测遥控的任务。

TIMED任务是研究太阳和人为扰动对中间层和低热层/电离层（MLTI）的影响，重点观测60-180km高度的大气层，那里是地球环境与外太空间的门栏区，部分太阳能量首先在那里被吸收，由于扰动那里的热力和化学状态可以很快地变化；该区域将无线电波反射回地球，使得长距离无线电通讯成为可能。MLTI对于卫星通讯、卫星跟踪、航天器寿命、航天器材料退化和载人航天器再入是关键层区。

TIMED提供全球MLTI区的温度、气压、风速、化学成分及能量的输入和输出资料，帮助理解该层区的能量平衡，提供全球变化早期预警的一个基础。

ENVISAT（ENVIriment SATllite）

ENVISAT于2002年3月1日发射，是目前最大的地球观测卫星，是欧洲空间局遥感卫星ERS的后续者，设计寿命5年。飞行轨道圆形太阳同步极轨，高度796km，倾角98.54°，周期100分钟。卫星重8211kg，其上搭载10台（部）先进的光学和雷达仪器，提供地球陆地、大气、海洋和冰盖的连续观测，提供大量有关地球系统运动的信息（包括气候变化的控制因子）。

Aura卫星

Aura卫星于2004年7月15日上天，是对地观测系统（EOS）中大气成分或环境监测卫星。Aura轨道是一个近极地太阳同步轨道，高度705km，每天环绕地球13圈。Aura上的4个遥感器（HIRDLS、MLS、OMI和TES）能够每天提供全球臭氧层、空气质量和关键气候参数的观测，其联合观测可以帮助认识平流层和对流层对臭氧的贡献及影响臭氧分布的输送、物理和化学过程。

大气垂直探测器 TOVS/ATOVS和AIRS

业务垂直探测器TOVS（the TIROS Operational Vertical Sounder）是美国NOAA系列气象卫星上的主载荷之一（最早在 1975年上天的NOAA-6上），测量大气温度和湿度垂直分布。TOVS实际上由3个仪器组成，即高分辨率红外辐射探测器HIRS、微波探测单元MSU和平流层探测单元SSU，都进行跨轨扫描，星下点的瞬时视场分别约为17、147和109km。HIRS有19个红外通道和1个可见光通道，其中有测量平流层温度的通道，还有一个通道9在9.7μm臭氧吸收带上，所以能够提供臭氧总量的信息。MSU有测量上对流层和下平流层温度的通道，SSu的3通道测量平流层温度。

总臭氧绘图光谱仪和太阳后向散射紫外仪

臭氧总量测绘光谱仪计划始于雨云—7卫星（Nimbus-7）上的TOMS（Total Ozone Mapping Spectrometer）飞行正样，该卫星于1978年10月24日升空。TOMS用一个单色仪测量6个波段后向散射太阳紫外辐射，滤光片带宽1nm。TOMS扫描镜使观测从右向左跨轨扫描约102度，采样间隔3度，共35个采样。TOMS扫描有4种工作方式来确定资料处理顺序和资料格式：正常扫描、单步进、观测散射镜和装载模式。仪器一般在正常模式下测量后向散射太阳辐射；在单步进模式，扫描装置由地面控制；太阳强度在观测散射镜模式下测量；在装载模式下进行在轨标定，此时汞—氩灯打开，散射板将灯光反射进仪器。TOMS的波长标定与SBUV进行了比较，发射后进行了重大改进使得波长漂移引起的臭氧误差小于0.2%。

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