外氣層

外氣層亦稱外逸層，離地面超過500 km，是地球大氣的最外層。其主要成分為氫和氦，且極為稀薄，密度幾近太空的密度，故又常稱為外大氣層。由於外氣層的氣體溫度高，粒子速度大，較易脫離地球重力場而進入太空，故又稱逃逸層。

基本介紹

• 中文名：外氣層
• 外文名：Exosphere
• 又稱：外逸層或逃逸層
• 區域：離地面超過500km
• 套用：人造太空飛行器的運行空間
• 所屬學科：大氣學

簡介

行星間物質與地球大氣間，尚無統一名稱，其下限之高度亦不一定。陽離子層（質子層，protonosphere）、地冠層（geocorona）、外離子層（outer ionosphere）、磁層（magnetosphere）、外氣層（exosphere）等，均系按研究對象所命之不同名稱，其上下限之高度亦自各異。

地球大氣之外緣稱為外氣層頂（exopause），其所在部位不明，粒子放射以磁層頂（magnetopause）為準。外氣層下限曰熱層頂（thermopause）通常在550公里之高空，亦有時升至1000公里左右。故外氣層領域尚無明確之定論。

外氣層之特徵，與日冠相同，其規模甚大，密度極低，對荷電粒子磁場具有重要意義。因粒子密度過小，故粒子間甚少衝突，可按麥克斯韋速度分布定律（Maxwell’s law of velocity distribution）產生偏倚。在層內因太陽普拉斯馬（solar plasma）與地球磁場之相互作用，而產生磁穴cavity及范愛倫磁力輻射帶（Van Alien magnetic radiation belt） 。

氣溫

外氣層的氣溫極高，氣溫由低到高呈垂直分布，隨著高度的升高而升高。外氣層的高溫在原理上與熱層相同，大氣分子是因為吸收了來自太陽的短波輻射而被加熱的。但由於外氣層的大氣密度實在太低，所以不會令人感到任何溫暖，一台普通的溫度計也只會量度到攝氏零度以下。

套用

外氣層是人造衛星、空間站、火箭等太空飛行器的運行空間。

對人類的影響

這層大氣保護了地球上的生物免受太陽風和宇宙射線的的襲擊，是地球上生物得以繁衍生息的一個重要因素。

地球磁場在與強大太陽風的相互作用下，改變了其原有的對稱形狀，向日面地磁場被壓縮成球形，背日面被拉長，形狀似圓柱體，稱為磁尾 。磁層像一個保護層，使太陽風無法到達地球表面，保護地球上的生物能夠免受太陽風的傷害，只有少數的太陽風粒子能從地磁場最薄弱的磁極（南北極）附近衝擊高層大氣，形成自然界最美麗的奇觀之一---極光。

臨界高度

地球大氣之外氣層，與日冠外緣相同，大氣粒子由重力場向外逸散。其高度曰臨界高度（critical level），粒子種類與溫度分布雖各處不同，其概略部位可認為在530公里附近之高空。外氣層與行星間氣體之界線不明，其外緣逐漸移化為地冠外緣。概略範圍可拓展至60000—1000000公里。

外氣層之粒子分布，常與臨界高度附近之溫度相羈絆。荷電粒子，除借太陽輻射之光電離作用發生外，在荷電交換過程進行中亦可產生，故與中性粒子間不易劃分清楚，為簡單化計，通常均先考慮中性粒子。

在劉別（Liouville）方程式中

f：為速度分布係數

d_v：為速度空間（velocity space）素片

a：為粒子加速度

▽_v：為速度空間之傾角

operator認為大氣粒子之分布範圍，系在其平均自由行程（mean free path）之距離以內。換言之，粒子之平均自由行程較一般大氣圈之幅度通常以級高

H：為級高（scale height）

T：為氣溫或絕對溫度

m：為平均分子質量

k：為Boltzmann constant=1.38 X 10^-16ergs．deg^-1，) 大時，則不發生衝突。

故其速度分布函式f達於一定高度時，即呈Maxwell分布函式，再上則成粒子之流跡線（trajectory）矣。

外氣層之底面，通常為中性粒子間之不發生衝突部位，特以上述之臨界高度充之，若高度為R_c，則該處之粒子密度可以N₀=N（R_c）表示之。若逸散原子之半數發生衝突時，則其密度之近似值為N₀~0.5（H_σ）^-1 [E.J.Opik&S.F.Singer，1961）。

式中之σ為氣體論之剖面積（gas kinetic cross section），其值3X10^-15cm²，H為級高 。在一定之大氣模型中，於500公里附近為H~8X10⁶cm，在變化上甚為緩慢。外氣層之成分以氧原子為主，設粒子質量m=16m_H時，其密度為No~7.5 X10⁷cm^-3，約與530公里之高空相當。至底面之定義甚難確定，通常多認為在500公里以上。

外氣層之粒子經常由臨界高度（R_c）射入。且層內大氣粒子更不斷向行星空間逸敵（escape of atmospheric particle），即所謂之氦逸散（J.H.Jeans，1916）者是也。