高層大氣，是指地球大氣開始電離（約60千米）以上的大氣區域。高層大氣上界的層狀結構已不明顯，由於收到太陽輻射的緣故，高層大氣粒子速度很高，這些大氣粒子有可能克服地球引力的束縛而逃離地球大氣層，而宇宙空間的氣體粒子也有可能進入高層大氣。
基本介紹
- 中文名：高層大氣
- 外文名：upper atmosphere
- 性質：受太陽紫外輻射加熱所控制
- 因素：太陽活動、磁層擾動
- 特點：電離形成電離層
簡介,性質,大氣成分,大氣分層,太陽輻射,與電離層耦合,大氣探測,間接法,直接法,
簡介
高層大氣，是指地球大氣開始電離（約60千米）以上的大氣區域。對於高層大氣起始高度的劃分不盡一致，如有人把探空氣球可上升到30千米高度作為高層大氣下限，也有人把中間層頂（約80千米）以上的大氣區域稱為高層大氣。高層大氣上界的層狀結構已不明顯，由於收到太陽輻射的緣故，高層大氣粒子速度很高，這些大氣粒子有可能克服地球引力的束縛而逃離地球大氣層，而宇宙空間的氣體粒子也有可能進入高層大氣。
性質
高層大氣的熱狀態受太陽紫外輻射加熱所控制，使得約80千米以上大氣溫度隨高度增高而增大，並隨時間、經緯度、太陽活動、磁層擾動等而變化。太陽紫外輻射造成高層大氣氧分子的分解。太陽紫外輻射和X射線又使N2、O2和O等電離形成電離層。高層大氣粒子受太陽輻射激發和太陽高能粒子的轟擊，能產生氣輝、夜光雲、極光等發光現象。
大氣成分
高層大氣稀薄的程度雖說比人造的真空還要“空”，但是在那裡確實還有氣體的微粒存在，而且比星際空間的物質密度要大得多，然而，它們已不屬於氣體分子了，而是原子及原子再分裂而產生的粒子。以80-100公里的高度為界，在這個界限以下的大氣，儘管有稠密稀薄的不同，但它們的成分大體是一致的，都是以氮和氧分子為主，這就是我們周圍的空氣。而在這個界限以上，到1000公里上下，就變得以氧為主了；再往上到2400公里上下，就以氦為主；再往上，則主要是氫；在3000公里以上，便稀薄得和星際空間的物質密度差不多了。
自地球表面向上，大氣層延伸得很高，可到幾千公里的高空。根據人造衛星探測資料的推算，在2000-3000公里的高空，地球大氣密度便達到每立方厘米一個微觀粒子這一數值，和星際空間的密度非常相近，這樣2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大氣的上界。
大氣分層
地球大氣按其基本特性可分為若干層，但按不同的特性有不同的分層方法。常見的分層方法有：
①按熱狀態特徵 ，可分為對流層、平流層 、中間層 、熱層和 外層（又稱外逸層或逃逸層）。
接近地面、對流運動最顯著的大氣區域為對流層，對流層上界稱對流層頂，在赤道地區高度約17～18千米，在極地約8千米；從對流層頂 至約50千米的大氣層稱平流層，平流層內大氣多作水平運動，對流十分微弱，臭氧層即位於這一區域內；中間層又稱中層，是從平流層頂至約80千米的大氣區域；熱層是中間層頂至300～500千米的大氣層；熱層頂以上的大氣層稱外層大氣。
②按大氣成分隨高度分布特徵，可分為均勻層和非均勻層。
均勻層是指從地面到約80千米的大氣層，因其大氣各成分所占的體積百分比保持不變。均勻層的平均分子量為28.966克/摩爾，為一常數。非均勻層為80千米以上的大氣區域，不同大氣成分所占的體積百分比隨高度而變，平均分子量不再是常數。
③按大氣的電離特徵，可分為電離層和中性層。
中性層又稱非電離層 ，是指以中性成分為 主的大氣層。電離層又可分為D 層、E層和F層。
在80千米以下，大氣處於均勻混合狀態；而在約80千米以上，大氣湍流逐漸消失，逐漸過渡到分子擴散平衡狀態 ，約在120千米以上達到完全擴散平衡 。擴散平衡就是在重力場作用下，大氣中重的成分分布於低層，輕的成分分布於高層，使得大氣的平均摩爾分子量隨高度遞減。高層大氣中除分子運動外，還有全球尺度的環流、潮汐和聲重波等巨觀運動。
太陽輻射
對高層大氣有重要影響的三類太陽發射：X射線、質子（1~100MeV）、低能電漿（≈1000km/s）。
（1）X射線到達地球的時間為8.3分鐘，地球物理效應：電離層突然騷擾；
（2）質子（1~100MeV）到達地球的時間需要幾小時，地球物理效應：太陽質子事件；
（3）低能電漿（≈1000km/s）到達地球的時間為1-2天，地球物理效應：磁暴和極光。太陽風的帶電粒子與地球兩級上層大氣相撞，就產生了極光現象。
1eV=1.602*10-19焦耳
1MeV=1.602*10-13焦耳
與電離層耦合
大氣波動驅動電離層變化時涉及到大氣層-電離層系統的垂直耦合，是近年來高層大氣物理學研究中頗受關注的領域。
高層大氣與電離層之間的耦合形式有：
（1）MLT區域的大氣波動與附近的低電離層相互作用，如通過風剪下導致中緯電離層E層（其高度與MLT區域有重疊）的金屬離子電荷堆積形成突發E層等不均勻體；
（2）MLT大氣波動的能量繼續上傳（或泄露）到上熱層/電離層F2層，通過中性粒子與帶電粒子的碰撞激發電離層電漿密度的波動起伏，同時在低緯和赤道區觸發電漿不穩定而產生電離層不均勻體；
（3）在中、低緯地區，MLT大氣波動驅動帶電粒子運動，切割背景磁場的磁力線，通過發電機效應產生電離層電場，並沿磁力線映射到低緯或赤道上空的F2層，引起電漿漂移，導致赤道異常等大尺度電離層不均勻分布。
大氣探測
高層大氣的探測方法可分為間接法和直接法。中國高層大氣觀測的新發展,包括雷射雷達、FP干涉儀、全天空氣輝成像儀等光學探測，MsT雷達、全天空流星雷達等無線申探測手段。
間接法
在觀測目標以外（主要在地面），利用探測儀器觀測高層大氣中的物理現象如流星、極光、氣輝等，推算不同高度的大氣成分、密度和溫度；或通過研究聲、光、電波在大氣中的傳播特性，及其穿透大氣時所發生的變化，探測大氣不同高度上的密度、溫度和電離程度等。
直接法
利用飛機、氣球、火箭和人造地球衛星等飛行器，把探測儀器帶到所要觀測的空間，測定飛行器周圍的大氣參量；或通過研究空間環境對飛行器的影響，如衛星的大氣制動來探測大氣密度。
高層大氣研究衛星（UARS）
高層大氣研究衛星（UARS：The Upper Atomsphere Reserach Satellite)是美國NASA20世紀80年代就開始實施的“行星地球使命”中的第一個主要任務，用於進行系統綜合性的平流層研究，並提供中間層和熱層的新資料，幫助確定高層大氣在氣候和氣候變率中的作用。
Odin小衛星
Odin是一顆天文和中高層大氣研究雙重任務的科學小衛星，由瑞典、加拿大、芬蘭和法國的空間機構共同研製，2001年2月20日發射升空，上天后的任務運行和控制由瑞典的Earange空間中心負責。衛星平台使用反作用輪、星跟蹤器和陀螺儀實現三軸穩定。 衛星總質量250kg（其中載荷80kg），太陽能帆板提供功率340W。 飛行軌道是太陽同步圓形軌道，高度600km，升交點時間18:00，每天繞地球15圈。自發射上天后，Odin為科學家提供了大量臭氧層損耗（O3、NO2、OCIO、HNO3、NO、N2O、O4等） 的資料，Odin的觀測還可用於平流層雲和氣溶膠氣候效應的研究。
TIMED衛星
作為NASA太陽—地球探測計畫中的先期項目，熱層—電離層—中間層能量和動力學衛星TIMED( Thermosp- here Ionosphere Energetics and Dynamics)，於2001年12月7日升空。其軌道是太陽同步圓軌道，高度625km，傾角74°。TIMED具有很高的自主運行能力，即自檢測和自調整功能；電子模組集成度高，某些部件更加小型和輕型化；用星載 GPS 接收機進行精密定軌，大大減少了地面的定軌和遙測遙控的任務。
TIMED任務是研究太陽和人為擾動對中間層和低熱層/電離層(MLTI)的影響，重點觀測60-180km高度的大氣層，那裡是地球環境與外太空間的門欄區，部分太陽能量首先在那裡被吸收，由於擾動那裡的熱力和化學狀態可以很快地變化；該區域將無線電波反射回地球，使得長距離無線電通訊成為可能。 MLTI對於衛星通訊、衛星跟蹤、太空飛行器壽命、太空飛行器材料退化和載人太空飛行器再入是關鍵層區。
TIMED提供全球MLTI區的溫度、氣壓、風速、化學成分及能量的輸入和輸出資料，幫助理解該層區的能量平衡，提供全球變化早期預警的一個基礎。
ENVISAT（ENVIriment SATllite）
ENVISAT於 2002年3月1日發射，是目前最大的地球觀測衛星，是歐洲空間局遙感衛星ERS的後續者，設計壽命5年。 飛行軌道圓形太陽同步極軌，高度796km，傾角98.54°，周期100分鐘。 衛星重8211kg，其上搭載10台（部）先進的光學和雷達儀器，提供地球陸地、大氣、海洋和冰蓋的連續觀測，提供大量有關地球系統運動的信息（包括氣候變化的控制因子）。
Aura衛星
Aura衛星於2004年7月15日上天，是對地觀測系統（EOS）中大氣成分或環境監測衛星。Aura軌道是一個近極地太陽同步軌道，高度705km，每天環繞地球13圈。Aura上的4個遙感器（HIRDLS、MLS、OMI和TES）能夠每天提供全球臭氧層、空氣品質和關鍵氣候參數的觀測，其聯合觀測可以幫助認識平流層和對流層對臭氧的貢獻及影響臭氧分布的輸送、物理和化學過程。
大氣垂直探測器 TOVS/ATOVS和AIRS
業務垂直探測器TOVS（the TIROS Operational Vertical Sounder)是美國NOAA系列氣象衛星上的主載荷之一（最早在 1975年上天的NOAA-6上），測量大氣溫度和濕度垂直分布。TOVS實際上由3個儀器組成，即高解析度紅外輻射探測器 HIRS、微波探測單元MSU和平流層探測單元SSU，都進行跨軌掃描，星下點的瞬時視場分別約為17、147和109km。HIRS有19個紅外通道和1個可見光通道，其中有測量平流層溫度的通道，還有一個通道9在 9.7μm 臭氧吸收帶上，所以能夠提供臭氧總量的信息。MSU有測量上對流層和下平流層溫度的通道，SSu的3通道測量平流層溫度。
總臭氧繪圖光譜儀和太陽後向散射紫外儀
臭氧總量測繪光譜儀計畫始於雨雲—7衛星（Nimbus-7）上的TOMS（Total Ozone Mapping Spectrometer）飛行正樣，該衛星於1978年10月24日升空。TOMS用一個單色儀測量6個波段後向散射太陽紫外輻射，濾光片頻寬1nm。TOMS掃描鏡使觀測從右向左跨軌掃描約102度，採樣間隔3 度，共35個採樣。TOMS掃描有4種工作方式來確定資料處理順序和資料格式：正常掃描、單步進、觀測散射鏡和裝載模式。 儀器一般在正常模式下測量後向散射太陽輻射；在單步進模式，掃描裝置由地面控制；太陽強度在觀測散射鏡模式下測量；在裝載模式下進行在軌標定，此時汞—氬燈打開，散射板將燈光反射進儀器。TOMS的波長標定與 SBUV 進行了比較，發射後進行了重大改進使得波長漂移引起的臭氧誤差小於0.2% 。
