临近空间环境简介

临近空间是指民航飞行高度以上、卫星轨道维持高度以下的地球空间,距地面大约20-200km的空间区域,主要包括平流层、中间层和低热层等。
1.平流层
    由对流层顶向上到
50km左右,垂直减温率为负值的气层称为平流层。平流层下半部的温度随高度变化很缓慢,上半部由于臭氧层把吸收的紫外辐射能量转化成分子动能,使空气温度随着高度上升而显著增加,每公里约能升温2°C,到50km附近达到最大值(约-3°C),即为平流层顶。
    平流层逆温的存在,使大气很稳定,垂直运动很微弱,多为大尺度的平流运动。平流层环流的特点是:中纬度地区夏季时是东风,冬季时是西风。环流的季节变化常常是对流层环流变化的先兆,对长期天气预报有参考意义。
    平流层空气中尘埃很少,大气的透明度很高。但是,由于平流层与对流层交换很弱,大气污染物进入平流层后能长期存在,例如强火山喷发的尘埃能在平流层内维持
23年,它能强烈反射和散射太阳辐射,导致平流层增温,对流层降温,影响地球的气候变化。
   
平流层中水汽的含量很少,几乎没有在对流层中经常出现的各种天气现象,仅在高纬度冬季20多公里处早、晚有不常见的贝母云出现。贝母云可能是由水滴或冰晶组成的,形成的原因还不大清楚。
2.中间层
   
从平流层顶到
85km左右称为中间层(过去亦称中层)。中间层内臭氧已很稀少,而太阳辐射中能被氧分子吸收的波长更短的紫外辐射(<0.18mm)已被其上面的热层大气吸收了,所以这层大气吸收的辐射能量很少,温度随高度降低。到85km左右的中间层顶(气压约为0.1hPa),温度下降到约-90-100℃,是地球大气中最冷的部分。和对流层类似,温度随高度而下降的结构有利于对流和湍流混合的发展。
       
中间层内水汽极少,但在高纬地区的黄昏前后,有时在75 ~ 90km上空出现薄而带银白色光亮的云,不过出现的机会很少。这种云可能是高层大气中细小水滴或冰晶构成,也可能有是由尘埃构成。由于这些云质点太小,平时很难见到,只有在黄昏时候,低层大气已见不到阳光,而中间层还被太阳照射时,在地面上才能见到这种云,所以叫夜光云。
3.热层 

热层是中间层顶以上的大气层,在这层内,温度始终是增加的。太阳辐射中的强紫外辐射(<0.18mm)的光化学分解和电离反应造成了热层的高温。因这层内大气热量的传输主要靠热传导,由于分子很稀少,热传导率小,在各高度上热量达到平衡时,必然会有巨大的垂直温度梯度。因此在热层内,温度很快就升到几百度,再往上,升温的趋势渐渐变缓,最终趋近于常数约10002000K
    热层虽是大气中温度最高的气层,但大气极稀薄,分子碰撞机会极少,所以该气层的高温只反映了分子巨大的运动速度,和低层稠密大气有所不同,不会对物体例如通过其中的卫星等飞行物造成很大影响。由于太阳的微粒辐射和宇宙空间的高能粒子能显著地影响这层大气的热状况,故温度在太阳活动高峰期和宁静期能相差几百度至一千多度。另外,热层温度的日变化及季节变化也很显著,白天和夜间温差达几百度。

    在这一层的高纬度地区经常会出现一种辉煌瑰丽的大气光学现象
¾极光。太阳发出的高速带电粒子流使高层稀薄的空气分子或原子激发,被激发的原子、分子通过与其它粒子碰撞或自身辐射回到基态时发出可见光,即出现极光。高速带电粒子流在地球磁场的作用下趋向南北两极附近,所以极光常在高纬地区出现。太阳活动强时,极光出现的次数也多。
4.电离层

    电离层指地表以上
60km5001000km的气层。在太阳电磁辐射(主要是短于0.1mm的紫外线、X射线)和微粒辐射(从太阳发出的质子、电子等及宇宙线粒子)的作用下,空气分子和原子(N2O2O)开始电离为正离子和自由电子。这些正离子和自由电子一旦产生又倾向于复合,最后建立起平衡,形成电子密度的垂直分布。虽然电子密度只占中性气体的百分之几,但因它是被电离了的,所以在高层大气中引起一些很重要的现象,这些现象包括产生电流和磁场,对无线电波的反射及各种等离子体过程。
    探测结果表明,电子密度在
90km100km300km处有峰值,且在300km处电子密度最大。依次向上称为电离层的D区(6090km)、E(90~140km)F(140~5001000km),其中F区在白天还分为F1F2两个区。夜晚,光致电离作用停止,较低的D区和E区内的大多数电子和离子复合,D区消失。电离层各区的高度、厚度和电子密度有明显的日变化、季节变化和纬度变化。
    太阳活动对电离层有很大影响,突出的是电离层突然扰动(
Sudden Ionospheric Disturbance, 简称SID)和电离层暴。在此期间,电离层的正常状态被破坏,影响到中、短波的无线电通讯。

                         节选自:盛裴轩等编《大气物理学》,北京:北京大学出版社,2003
 

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