高層大氣物理

19世紀以前，人們對極光和夜氣輝（夜天光的一部分）等高層大氣的發光現象就作過觀察。19世紀末，人們開始由地面磁場的日變化和磁暴等推算和研究高空感應電流和磁場。20世紀初，電離層的發現和無線電波傳播的研究，對高層大氣物理的研究起了促進作用。同時也展開了高層大氣的潮汐、聲波、重力波以及光化學等現象的研究。火箭、衞星技術的出現和發展，使得高層大氣物理的研究取得了更加迅速的發展。50年代初，發現了高層大氣密度隨太陽活動有數百倍的變化；還發現了高層大氣中存在氦層。非相干散射雷達和激光雷達等先進的地面探測設備，能對高層大氣進行多參數的長期監測。70年代以後，發射了專門研究高層大氣的綜合探測衞星，如“探險者”C、D、E和“大氣衞星”(Aeros)等。大氣綜合探測衞星能同時測量太陽輻射、大氣輻射、中性成分、離子成分、空間電場和磁場等。通過綜合測量,可以深入分析高層大氣的一些重要的多因素過程,如光化學過程、各種加熱機制、中性大氣與電離層的耦合等。高層大氣物理過程主要有：

擴散平衡是決定高層大氣各成分空間分佈的主要過程。大氣由80公里以下的均勻混合狀態逐漸過渡到120公里以上的分子擴散平衡狀態。各成分數密度ni按自己的標高Hi隨高度Z作指數衰減， ,

式中ni為高度ZO處該成分的數密度。標高Hi正比於大氣温度，反比於該成分分子量。即温度愈高，分子量愈小，數密度隨高度的衰減愈慢。結果是，重的成分較多地集中在低處，輕的成分較多地集中在高處。因此，氧原子在200公里以上變成高層大氣的重要成分;大約在1000公里以上氦氣成為主要成分；而在約2000公里以上就是氫原子為主了。這種水平分層結構是高層大氣的最主要結構形式，是在重力作用下擴散平衡的結果。

能量平衡太陽紫外輻射和 X射線使高層大氣粒子激發、分解和電離，部分太陽輻射能量轉換成高層大氣熱能。主要吸熱層在100～200公里高度。因此使得大氣温度由80～90公里間的200K，迅速增加到 200公里處的800～900K。以後，温度隨高度的增加漸緩，到500公里時接近大氣頂層温度，再向上温度基本上保持不變。

由太陽風變化引起的磁層擾動，能通過電磁感應在高緯的高層大氣中產生強電流。這一電流以焦耳熱的形式把電能轉變成熱能，使極區大氣温度提高几。此外，太陽宇宙線以及來自磁尾的高能帶電粒子注入極區，也可引起極區高層大氣温度的增加。因太陽活動和磁層擾動所引起的高層大氣温度的變化很大(大氣頂層温度)，其變化範圍約為600～2000K。

高層大氣運動高層大氣的分子尺度的運動有分子擴散、動量粘性傳輸和分子熱傳導等。在80～120公里間湍流也很重要。高層大氣的宏觀運動有全球尺度的環流和潮汐，也有周期為幾分鐘至幾小時的聲重波。在高層大氣中，中性部分和電離部分因受力不同，運動狀態也不同。但由於兩部分粒子間的碰撞頻繁，所以兩部分的運動有很強的相互影響。雖然熱源和熱匯的存在，是推動中性部分運動的主要原因，但電離部分的離子牽引力和離子阻力是中性部分運動的重要的作用力。

高層大氣與低、中層大氣的耦合高層大氣內的運動現象有些是從低、中層大氣中傳過來的。高層大氣潮汐的成因之一是由平流層和中層大氣中臭氧吸收太陽紫外輻射所造成的。低、中層大氣中各種擾動所形成的聲重波，其波動能量往上傳到高層大氣後轉變成熱能，也成為推動高層大氣運動的熱源。有些在低、中層大氣中的不明顯的重要物理現象能在高層大氣中顯示出來，如大氣潮汐和聲重波(見高層大氣動力學)。這時，高層大氣就相當於一個“濾波器”。此外，高層大氣與低、中層大氣間的耦合，還通過質量傳輸、動量傳輸、能量傳輸以及電磁場作用等形式進行。

高層大氣與磁層的耦合因太陽活動加強或太陽耀斑暴發時引起的強烈的磁層擾動，往往也能帶動高層大氣中帶電成分和中性成分一起做劇烈運動。這樣引起的高層大氣全球動力過程一般是幾小時，比低、中層大氣的動力過程快得多。

此外，高層大氣與磁層間還通過質量傳輸，動量傳輸，能量傳輸及電磁場作用等進行着耦合。

趙九章等編著：《高空大氣物理學》，上冊，科學出版社，北京，1965。

S.－I.Akasofu and S.Chapman, Solar-terrestrial Physics,Oxford Univ. Press, Oxford, 1972.