高层大气结构与运动2014

1、地球高层大气结构与运动地球高层大气结构与运动 一一、气体的性质；、气体的性质； 二、中性大气的垂直结构与组成；二、中性大气的垂直结构与组成； 三、中性大气的运动；三、中性大气的运动； 四、标准大气和大气模式。四、标准大气和大气模式。气体的性质气体的性质 理想气体普适定律理想气体普适定律 气体的热平衡气体的热平衡 连续性连续性 气体碰撞气体碰撞分子扩散与涡流扩散系数比较。 大气的垂直结构大气的垂直结构 对流层：温度以每公里大约10的梯度随高度递降，直至10-12 km，达到温度极小值，对应对流层顶。平流层：温度均匀，又称同温层，事实上，平流层的温度随高度上升而平缓增高，由于臭氧对太阳紫外辐射的吸

2、收，在约50 km高度有一个温度极大值，对应平流层顶。中层：温度再次随高度而递降，至80-85 km，又出现一个温度极小值，对应中层顶。中层之上，太阳紫外辐射导致温度梯度为正值，这一层称作热层。随高度上升，最终热层温度仅随时间变化而基本上不随高度变化，同时温度很高，一般达到1000K以上，这是大气层最热的部分。地球中性大气的垂直分层地球中性大气的垂直分层 按大气的混合状态分层，在低层大气中，大气处于充分混合状态，除一些次要成分外，主要大气成分比例不随高度变化，这一完全混合的区域称作均质层(Homosphere)。由于大气的混合的主因是湍流，所以又称湍流层(Turbosphere)。均质层或湍流

3、层顶在约100km高度。在100km高度以上，扩散分离远比湍流混合迅速，由于重力的作用，不同大气成分可能分离，导致大气成分比例随高度变化，所以100km以上又统称非均质层(Helerosphere)。在非均质层，扩散分离远快于湍流混合。在100km以下，分子扩散系数小于涡流扩散系数，在大约100km高度，两者大致相等，在100km高度以上，涡流扩散系数迅速下降至约115km高度接近为零，而分子扩散系数快速增大，至150km高度，增大至104至105m2/s。在非均质层的某些高度区间，主要气体成分分别为氦和氢，对应又称氦层(Heliosphere)和质子层(Protosphere)。在大约600

4、km以上，单个原子能够脱离地球引力作用而逃逸，所以600km高度以上又称作逃逸层(Exosphere)。在逃逸层之下称作气压层(Barosphere)。地表之上约60km高度起，气体分子或原子处于部分或完全电离状态，在大气层最外部分，地磁场控制带电粒子的运动，所以60km高度以上区域又称作电离层(Ionosphere)和磁层(Magnetosphere)。电离层与磁层之间没有明显的边界，通常把1000km以下区域称作电离层，磁层在电离层之上，是地球大气层的最外部分，在向阳面，地磁场外边界终止于大约1012个RE，这个边界称磁层顶(Magnetopause)。大气热损耗和热传输大气热损耗和热传输

5、逃逸层温度的周日变化和120km以上综合的加热与热损耗的主要机制。(a)分子离解加热；(b)电离所致热电子；(c)碰撞和化学反应；(d)大气膨胀和收缩。 在几百km高度区域，大气以原子氧为主；再往上氦的含量最丰富；最后氢变成最主要的成分。逃逸层大气中的两种主要成分氦和氢在对流层仅仅是次要的成分。氦由地壳中的放射性衰变过程产生，向上扩散到大气层，最终逃逸到太空中。原子氢主要在湍流层顶附近由水蒸气离解产生，向上扩散到太空。大气次要成分大气次要成分中性大气的运动中性大气的运动中高层大气中的风中高层大气中的风稳定的水平运动稳定的水平运动磁暴和高纬热源的影响磁暴和高纬热源的影响两分点两分点( (左左)

6、)和两至点和两至点( (右右) )，高纬加热对全球热层环流的影响，高纬加热对全球热层环流的影响上、中和下三图分别代表地磁平静条件、中等活动水平上、中和下三图分别代表地磁平静条件、中等活动水平(10(101111J/s)J/s)和和地磁亚暴地磁亚暴(10(101212J/s)J/s)条件下的子午环流。条件下的子午环流。 热层大气潮汐热层大气潮汐大气潮汐是大气的一种重要的运动形式，特别是在比较高的高度上，潮汐显得更重要。所谓潮汐，就是以1天或1/N(N为整数)天为周期的大气振荡。如果所指的1天是太阳日，就是太阳潮汐。如果是太阴日，就是太阴潮汐。流星雷达观测到的高层大气中子午向风和纬向风 大气重力波大气重力波理 想 大 气 中 声速、浮力频率和声截止频率的高度剖面 重力波的标志性特征重力波的一个标志性的特征是，当波的相速度的垂直分量向下时，群速度的垂直分量指向上，在无耗大气中，群速度的方向就是能量传播的方向。