高層大氣動力學

高層大氣與對流層、平流層等低、中層大氣有很大不同。它的特點主要是：

①氣體稀薄　由於稀薄，氣體分子自由程很大，所以高層大氣各成分不像低、中層大氣那樣均勻混合並一起運動,而是各種成分互相擴散着(穿插着)；由此,一系列以分子為基礎的運動即擴散、分子動量傳輸、分子導熱和離子阻力等，使高層大氣成為粘性很大、導熱很強的各成分相互擴散的多元介質，這對所有的高層大氣宏觀運動都有影響。因潮汐和各種波動的幅度與大氣密度的平方根成反比，高層大氣稀薄還會使在對流層中很弱的潮汐波動現象，在高層大氣中成為很重要的運動形式。

②呈電離狀態並處於地磁場中　由於高層大氣電離部分比中性部分多受一個電磁感應的洛倫茲力，因此在高層大氣運動中，中性部分和電離部分的運動規律不同，它們之間互相影響、互相制約。高層大氣中性部分運動時，電離粒子和中性粒子的碰撞，有時成為離子拖動力（動量源），有時則成為離子阻力（動量匯）。

③熱源和熱匯比較複雜 對高層大氣的3個主要熱源，即太陽紫外輻射、磁層電磁擾動引起的電流焦耳熱和粒子注入碰撞加熱，有相當瞭解，但其全球分佈很複雜，再加上不易估算的波動湍流熱源，使得由這些熱源所推動的高層大氣運動相當複雜。高層大氣的熱匯主要是氧原子等紅外輻射散熱，它的強度和分佈也是很難估算的。

高層大氣的分子除了作熱運動外，還進行擴散運動。在多元氣體中，某一氣體相對於其他氣體的擴散速度同該氣體的濃度梯度、温度梯度和作用力場（重力場、電場、磁場）有關。高層大氣一般是處於擴散平衡狀態。這時濃度和温度梯度正好和重力場平衡,各成分的擴散速度為零,高層大氣呈現靜態分層結構。由於擴散係數和氣體分子總數密度成反比，而高層大氣的總數密度值又很低，所以，假如上述這些造成擴散的因素不平衡，就會產生很大的擴散速度。在高層大氣中有幾個區域容易偏離擴散平衡：首先是熱層底部，由於加熱和湍流運動，經常形成比較複雜的不平衡的分子濃度梯度；其次是在極區大氣和電離層上部，由於加熱以及電場和磁場的擾動，也常使離子和中性氣體偏離擴散平衡；此外，在高層大氣施放的各種中性和電離氣體，也成為重要的氣體擴散源。從氣體宏觀運動角度來看，分子擴散主要使氣體的組成和分子量發生改變。

高層大氣分子運動的另一重要形式是動量交換。在一般氣體運動中,分子碰撞所引起的動量交換,是使運動快的部分被運動慢的部分拖住，即氣體表現出粘性。這種分子粘性在高層大氣中將變得很大，因為粘性系統也像擴散係數一樣反比於氣體的密度。除了中性分子相互碰撞所表現的粘性以外，離子和中性分子碰撞引起的動量交換也很重要。有時中性大氣運動被離子阻力所減弱，有時離子受電場、磁場作用運動很快，這些會對中性大氣起拖動作用。

分子碰撞所引起的熱運動交換，即分子導熱，對高層大氣有很大作用。由於導熱係數反比於氣體密度，其結果是高層大氣導熱係數很大,使得500公里以上的大氣在垂直方向上基本是等温的。可以把這種等温的、內部處於擴散平衡的垂直氣柱，作為高層大氣運動的一個單元，通過研究它的水平運動來掌握高層大氣上部的運動。

由於高層大氣中分子粘性增大，湍流逐漸減弱,一般認為在120公里以上湍流停止，但在極區和運動變化劇烈的區域，以及人工施放氣體的區域仍可能有湍流運動。低、中層大氣的各種波動傳到高層大氣後，由於幅度增大，最後也可能變成湍流。湍流的能量最後耗散成熱能，它是高層大氣的一種熱源。

80～120公里是高層大氣的過渡層，在這個層裏,大氣由湍流狀態逐漸過渡到分子擴散狀態，即湍流隨高度增加而衰減以至消失。

高層大氣中充滿着各種性質和各種尺度的波，其中主要有重力波、聲波和潮汐。

是分層穩定大氣在受到擾動後，由於重力的恢復作用，使大氣產生振盪而形成的一種波。這種波的機制和水面的重力波相似，所不同的是大氣有可壓縮性。當波動傳播時，其壓力變化引起大氣伸縮，因此這種重力波帶有聲波的性質，也有人把這種波稱為聲重波。此外大氣重力波是一種內波，它除了在水平方向表現出波狀結構外，在垂直方向有時也呈現波狀結構。

在高層大氣中主要有兩種類型的重力波：一是大型波,波速一般在400～1000米/秒，週期30分至3小時,水平波長超過1000公里，這種波一般由極區擾動產生，並向赤道傳播；二是中型波，波速一般在100～250米/秒，週期15分至1小時，波長几百公里，這種波經常發生。

劇烈的天氣變化和大氣中的擾動都能激發聲波。在高層大氣中，極區擾動能產生週期為幾十秒的聲波。由聲波可以追溯到激發源的結構，也可以推測傳播路徑上大氣的温度和風。在20世紀30年代沒有用火箭直接進行高空探測時，人們利用從地面發出的聲波能傳播很遠，並由高空反射回來這一事實（當時稱為聲波異常傳播），提出30公里以上平流層温度會增加的預言。今天，在火箭上用聲學方法探測高空大氣結構，仍是一條重要途徑。

高層大氣重力波和聲波的幅度都是和密度的平方根成反比的，隨着高度增加，波的幅度愈來愈大，但是大氣粘性和導熱等耗散作用也隨高度增加而增大，因此這些波也不能無限增大。重力波和電離層擾動關係很密切，它對電離層不均勻結構和無線電波傳播都有很大影響。

大氣潮汐是太陽和月球的引力以及太陽輻射對大氣的加熱所造成的一種大氣波動現象。大氣潮汐和海洋潮汐不同，它主要不是由引力引起，而主要是由太陽輻射加熱所激發。太陽紫外輻射加熱所形成的日下熱峯結構是高層大氣的基本結構，這實際上是一個疊加有半日潮等分量的全日潮。

在對流層中潮汐很弱，要用大量資料進行統計，才能在很強的環流和其他各種大氣運動中，看出這種幅度不超過100帕的氣壓變化。高層大氣的潮汐很強,這不但由於潮汐加熱源在低熱層，更重要的是因為潮汐幅度和大氣密度的平方根成正比，而高層大氣的密度很低，所以潮汐很強。在60公里以上，潮汐所產生的風場是高層大氣風場很重要的組成部分,其速度可達幾十米每秒,甚至過百米每秒。

從運動的機制看，大氣潮汐是一種重力內波，因為其中的主要恢復力是重力，在高層大氣中由於電磁感應力和粘性很大，因此高層大氣潮汐的恢復力不但有重力，而且有很強的電磁感應力和粘性阻力，這是高層大氣潮汐在結構上有很多特點的原因。

主要由 3部分構成，即潮汐所形成的流場、超轉動和一般環流。超轉動是指高層大氣的轉速超過地球自轉速度。由觀測發現,高層大氣在150公里以上的轉動比地球自轉速度快,在300多公里高度上可達地球自轉速度的1.3倍,再往上又緩慢地減慢。這種超轉動的形態和原因尚未完全確定。另外，高層大氣環流有一部分是隨時間變化的，這部分環流是由一些變化的熱源和動力源推動的，如極區擾動環流，就是由極區擾動所推動的環流。

孫超