高层大气动力学

研究高层大气运动的原因、形态等的学科

高层大气动力学（upper atmosphere dynamics）研究高层大气各种运动的原因、形态、特点和相互关系的学科。高层大气中进行着不同性质、不同尺度的各种运动。全球范围的运动有环流和潮汐；以分子为基础的运动有扩散和导热等；此外，还有各种尺度的波动和湍流。

特点介绍

高层大气与对流层、平流层等低、中层大气有很大不同。它的特点主要是：

①气体稀薄　由于稀薄，气体分子自由程很大，所以高层大气各成分不像低、中层大气那样均匀混合并一起运动,而是各种成分互相扩散着(穿插着)；由此,一系列以分子为基础的运动即扩散、分子动量传输、分子导热和离子阻力等，使高层大气成为粘性很大、导热很强的各成分相互扩散的多元介质，这对所有的高层大气宏观运动都有影响。因潮汐和各种波动的幅度与大气密度的平方根成反比，高层大气稀薄还会使在对流层中很弱的潮汐波动现象，在高层大气中成为很重要的运动形式。

②呈电离状态并处于地磁场中　由于高层大气电离部分比中性部分多受一个电磁感应的洛伦兹力，因此在高层大气运动中，中性部分和电离部分的运动规律不同，它们之间互相影响、互相制约。高层大气中性部分运动时，电离粒子和中性粒子的碰撞，有时成为离子拖动力（动量源），有时则成为离子阻力（动量汇）。

③热源和热汇比较复杂对高层大气的3个主要热源，即太阳紫外辐射、磁层电磁扰动引起的电流焦耳热和粒子注入碰撞加热，有相当了解，但其全球分布很复杂，再加上不易估算的波动湍流热源，使得由这些热源所推动的高层大气运动相当复杂。高层大气的热汇主要是氧原子等红外辐射散热，它的强度和分布也是很难估算的。

分子运动

扩散运动

高层大气的分子除了作热运动外，还进行扩散运动。在多元气体中，某一气体相对于其他气体的扩散速度同该气体的浓度梯度、温度梯度和作用力场（重力场、电场、磁场）有关。高层大气一般是处于扩散平衡状态。这时浓度和温度梯度正好和重力场平衡,各成分的扩散速度为零,高层大气呈现静态分层结构。由于扩散系数和气体分子总数密度成反比，而高层大气的总数密度值又很低，所以，假如上述这些造成扩散的因素不平衡，就会产生很大的扩散速度。在高层大气中有几个区域容易偏离扩散平衡：首先是热层底部，由于加热和湍流运动，经常形成比较复杂的不平衡的分子浓度梯度；其次是在极区大气和电离层上部，由于加热以及电场和磁场的扰动，也常使离子和中性气体偏离扩散平衡；此外，在高层大气施放的各种中性和电离气体，也成为重要的气体扩散源。从气体宏观运动角度来看，分子扩散主要使气体的组成和分子量发生改变。

动量交换

高层大气分子运动的另一重要形式是动量交换。在一般气体运动中,分子碰撞所引起的动量交换,是使运动快的部分被运动慢的部分拖住，即气体表现出粘性。这种分子粘性在高层大气中将变得很大，因为粘性系统也像扩散系数一样反比于气体的密度。除了中性分子相互碰撞所表现的粘性以外，离子和中性分子碰撞引起的动量交换也很重要。有时中性大气运动被离子阻力所减弱，有时离子受电场、磁场作用运动很快，这些会对中性大气起拖动作用。

热运动

分子碰撞所引起的热运动交换，即分子导热，对高层大气有很大作用。由于导热系数反比于气体密度，其结果是高层大气导热系数很大,使得500公里以上的大气在垂直方向上基本是等温的。可以把这种等温的、内部处于扩散平衡的垂直气柱，作为高层大气运动的一个单元，通过研究它的水平运动来掌握高层大气上部的运动。

高层大气的湍流

由于高层大气中分子粘性增大，湍流逐渐减弱,一般认为在120公里以上湍流停止，但在极区和运动变化剧烈的区域，以及人工施放气体的区域仍可能有湍流运动。低、中层大气的各种波动传到高层大气后，由于幅度增大，最后也可能变成湍流。湍流的能量最后耗散成热能，它是高层大气的一种热源。

80～120公里是高层大气的过渡层，在这个层里,大气由湍流状态逐渐过渡到分子扩散状态，即湍流随高度增加而衰减以至消失。

高层大气波动

高层大气中充满着各种性质和各种尺度的波，其中主要有重力波、声波和潮汐。

①重力波

是分层稳定大气在受到扰动后，由于重力的恢复作用，使大气产生振荡而形成的一种波。这种波的机制和水面的重力波相似，所不同的是大气有可压缩性。当波动传播时，其压力变化引起大气伸缩，因此这种重力波带有声波的性质，也有人把这种波称为声重波。此外大气重力波是一种内波，它除了在水平方向表现出波状结构外，在垂直方向有时也呈现波状结构。

在高层大气中主要有两种类型的重力波：一是大型波,波速一般在400～1000米/秒，周期30分至3小时,水平波长超过1000公里，这种波一般由极区扰动产生，并向赤道传播；二是中型波，波速一般在100～250米/秒，周期15分至1小时，波长几百公里，这种波经常发生。

②声波

剧烈的天气变化和大气中的扰动都能激发声波。在高层大气中，极区扰动能产生周期为几十秒的声波。由声波可以追溯到激发源的结构，也可以推测传播路径上大气的温度和风。在20世纪30年代没有用火箭直接进行高空探测时，人们利用从地面发出的声波能传播很远，并由高空反射回来这一事实（当时称为声波异常传播），提出30公里以上平流层温度会增加的预言。今天，在火箭上用声学方法探测高空大气结构，仍是一条重要途径。

高层大气重力波和声波的幅度都是和密度的平方根成反比的，随着高度增加，波的幅度愈来愈大，但是大气粘性和导热等耗散作用也随高度增加而增大，因此这些波也不能无限增大。重力波和电离层扰动关系很密切，它对电离层不均匀结构和无线电波传播都有很大影响。

③潮汐

大气潮汐是太阳和月球的引力以及太阳辐射对大气的加热所造成的一种大气波动现象。大气潮汐和海洋潮汐不同，它主要不是由引力引起，而主要是由太阳辐射加热所激发。太阳紫外辐射加热所形成的日下热峰结构是高层大气的基本结构，这实际上是一个叠加有半日潮等分量的全日潮。

在对流层中潮汐很弱，要用大量资料进行统计，才能在很强的环流和其他各种大气运动中，看出这种幅度不超过100帕的气压变化。高层大气的潮汐很强,这不但由于潮汐加热源在低热层，更重要的是因为潮汐幅度和大气密度的平方根成正比，而高层大气的密度很低，所以潮汐很强。在60公里以上，潮汐所产生的风场是高层大气风场很重要的组成部分,其速度可达几十米每秒,甚至过百米每秒。

从运动的机制看，大气潮汐是一种重力内波，因为其中的主要恢复力是重力，在高层大气中由于电磁感应力和粘性很大，因此高层大气潮汐的恢复力不但有重力，而且有很强的电磁感应力和粘性阻力，这是高层大气潮汐在结构上有很多特点的原因。

高层大气环流

主要由 3部分构成，即潮汐所形成的流场、超转动和一般环流。超转动是指高层大气的转速超过地球自转速度。由观测发现,高层大气在150公里以上的转动比地球自转速度快,在300多公里高度上可达地球自转速度的1.3倍,再往上又缓慢地减慢。这种超转动的形态和原因尚未完全确定。另外，高层大气环流有一部分是随时间变化的，这部分环流是由一些变化的热源和动力源推动的，如极区扰动环流，就是由极区扰动所推动的环流。

孙超

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