地球圈层结构研究（3）
胡经国
⑸、热层（含电离层）
①、热层概述
热层（Thermosphere），又称为热成层、暖层、热气层或增温层，是指中间层顶（距地面大约85千米）至250km（在太阳宁静期）或500km左右（太阳活动期）之间的大气层。它位于中间层顶之上和散逸层之下，其顶部距离地面约为800km。
从热层底部向上，大气温度迅速增加；达到温度梯度消失时的高度即为热层顶。热层没有明显的顶部。通常认为，在垂直方向上气温从向上增温转变为等温时的高度，即为热层顶上限。热层顶高度随太阳活动强弱而变化很大，通常在300～500千米之间。
②、热层气温特征
在热层中，气温随高度增加而迅速增高。这是因为波长小于0.175μm（微米，1mm=1000μm）的太阳紫外辐射都被该层中的大气物质（主要是原子氧）所吸收的缘故。热层增温程度与太阳活动有关。当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高，这时500km高度处的气温可增至2000K；当太阳活动减弱时，温度随高度增加增温较慢，500km高度处的温度只有500K。
热层几乎吸收了波长短于1750埃（?，1?=10-10m，1μm=104?）的全部太阳紫外辐射，成为主要热源。热层温度结构主要受太阳活动的支配。在热层内温度很高，热层顶温度可达1500K，昼夜变化很大。
③、热层大气密度与质量
热层存在于距地面85公里以上的高空。在这样的高度，剩余的大气将根据分子量来分层。热层的空气极为稀薄，该层质量仅占大气总质量的0.5%。在距地面120公里高度以上的空间，空气密度已小到声波难以传播的程度；在270公里高度上，空气密度约为地面空气的百亿分之一；在300公里的高度上，空气密度只有地面空气的千亿分之一；再向上空气就更加稀薄了。
④、热层电离层
热层中的大气分子由于吸收了太阳短波辐射因而其电子能量增加，其中一部分大气分子处于高度电离状态。这些电离过的离子和电子便在热层中形成了电离层。由于电离层可以反射无线电波，因而它被人类利用来进行远距离无线电通信。
热层的电离层分为以下三层：E层（距地面100～120公里）、F1层（距地面170～230公里）、F2层（距地面200～500公里）（夜间融合为F层，大约距地面300～500公里)。而且，因季节变化还会出现突发性E层（Es层，大约距地面100公里）。
另据认为，在热层中空气处于高度电离状态，其电离的程度是不均匀的。其中，电离最强的有两层，即：E层（大约距地面90～130km）和F层（大约距地面160～350km）。F层在白天还分为F1和F2两层。据研究高层大气（距地面60km以上）由于受到强太阳辐射，迫使气体原子电离，产生带电离子和自由电子，从而在高层大气中能够产生电流和磁场，并且可反射无线电波。这种高层大气称为电离层。正是由于高层大气电离层的存在，因而人们才能够收听到很远地方的无线电台的广播。
⑤、热层极光和夜光云
在地球高纬度地区，因磁场作用而被加速的电子会顺势流入热层，与热层中的大气分子发生冲突，继而使热层中的大气分子受到激发而产生电离。当那些受到激发而产生电离的大气分子复回原来状态时产生的发光现象，就称为极光。
极光（Aurora），是一种绚丽多彩的等离子体现象，是由于太阳的高能带电粒子流（太阳风）进入地球磁场，因而在地球南北两极附近地区的高空夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南极的极光被称为南极光，在北极的极光被称为北极光。地球的极光是由于来自地球磁层或太阳高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子被激发、发生电离而产生的。极光产生的条件有三个，即：大气、磁场、高能带电粒子流。
现代物理学对极光产生原理有详细的描述。地球上的极光是由于来自磁层和太阳风的高能带电粒子流被地磁场引导进入地球大气层，并且与高层大气（热层）中的原子碰撞造成的发光现象。极光不只在地球上出现，在太阳系内其它一些具有磁场的行星上也有极光。
极光常常出现在纬度靠近地磁极的地区上空。一般呈带状、弧状、幕状、放射状；这些极光形状有时稳定，有时作连续性变化。
由于热层下部尚有少量的水分存在，因而偶尔会出现微带青色的银白色夜光云。
⑥、热层收缩
热层高悬于地面之上，靠近地球与太空边缘的交汇处，距地面高度在55英里（约合90公里）至370英里（约合600公里）之间。卫星和流星在这一高度飞过，极光在这一高度闪耀。
热层与太阳联系紧密，受太阳活跃性高低周期变化的影响程度较大。热层能够在太阳的远紫外线抵达地球前对其进行拦截。当太阳活跃性较高时，太阳的远紫外线加热热层，使其膨胀，就像一个置于营火上方的棉花糖。当太阳活跃性较低时，便会发生相反的现象，即热层变冷收缩。但是，最近的太阳活跃性极低，2008年和2009年太阳黑子数量极少，太阳耀斑几乎不存在，而太阳远紫外线则走向衰败。然而，2008年至2009年的热层收缩程度不仅超过了以往任何时候，而且也无法单用太阳活跃性加以解释。
为此，国外专家提供了一个涵盖整个太空时代的热层密度、温度和压力的时空样本。专家表示，热层中的二氧化碳似乎可以在解释大气收缩过程中扮演角色。这种气体充当了一个冷却剂，通过红外辐射释放热量。众所周知，地球大气中的二氧化碳水平一直有持续增长之势。更多的二氧化碳会放大太阳极小期的冷却作用。不过，专家指出：“但是事情并不这么简单。即使将充当冷却剂的二氧化碳这一因素考虑在内，我们也无法完全解释热层的大规模收缩。”研究人员希望，对这个上层大气层的进一步监测能够帮助他们揭开这一谜团。
⑹、逸散层
①、散逸层概述
散逸层（Exosphere），又称为外层、外大气层、逃逸层，是指热层顶以上的大气层，也是地球大气的最外层或最高层。它延伸至距地球表面大约1000公里处。
散逸层又叫做磁力层。它是大气层向星际空间过渡的区域，其间没有什么明显的界限。在通常情况下，其上部界限在地磁极附近较低；在近磁赤道上空，向太阳一侧，其上部界限约有9～10个地球半径高，换句话说，大约有65000千米高。在这里空气极其稀薄。通常，把距地面1000公里之内，即将电离层之内，作为大气层上限高度，即大气层近似厚度约为1000公里。
该层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子都已发生电离；使质子和氦核的含量大大超过中性氢原子的含量。
由于该层空气受地心引力极小，因而气体及微粒可以从该层飞逸出地球引力场而进入太空。所以该层又称为逃逸层。
散逸层是人造航天器的运行空间。
②、散逸层范围
散逸层的下界距地面800km以上，而顶界距地面约为2000～3000km的高度。这里也可以被视作地球大气层的上界。地球大气层在这一层逐渐过渡到星际空间；地冕也存在于这一层。
③、散逸层成分与地冕
地冕（Geocorona，TerrestrialCorona）发生在以氢原子和氦原子为主要成分的地球高层大气散逸层中。它由于氢原子和氦原子发出微弱的辐射而得名。
1955年，在距地面80千米的高空，观测到氢原子的赖曼a（La）辐射，从而发现氢原子在高层大气中的存在，导致地冕的发现。氢原子密度在距地面80千米高度最大；在此之上随高度增加而缓慢减小；在距地面1000千米高度约为1×105厘米-3；在距地面10万千米高空，在每立方厘米内仅有几个氢原子。由于太阳辐射压力的作用，在距地面大约8个地球半径之外，在背阳面氢原子密度要比向阳面的大，从而形成所谓的地冕。在地冕中，氢原子和氦原子的密度有11年的周期变化。氢原子密度在太阳活动高峰年较小，在太阳活动低谷年较大；而氦原子密度的变化则相反。
④、散逸层密度和质量
散逸层空气极其稀薄，其密度仅为海平面处大气密度的一亿亿分之一。由于其密度几乎与太空密度相同，因而又常常将该层称为外大气层。
散逸层由于温度高，空气粒子运动速度很高，又因距地心较远，地心引力较小，因此该层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，其大气密度与星际空间非常接近。该层大气质量只有大气层总质量的10-11。
⑤、散逸层气温
散逸层的气温极高，可达数千度；其气温由低到高呈垂直分布，随着高度的增加而略有升高。散逸层的高温在原理上与热层相同，大气分子是因为吸收了来自太阳的短波辐射而被加热的。但是，由于散逸层的大气密度实在太低，因而不会令人感到任何温暖。一台普通的温度计也只会测量到摄氏零度以下的温度。
3、大气圈物质组成
大气圈由包围地球的气态物质组成。其主要成分是：氮气占78.1%，氧气占20.9%；其次为氩气占0.93%；还有少量的二氧化碳、水蒸气；此外，还有微量的臭氧和氢以及稀有气体氦气、氖气、氪气、氙气、氡气、氨气。
大气圈的物质组成是不稳定的。无论是自然灾害等自然因素，还是人为因素，都会导致在大气中出现新的物质；或者某种成分的含量过多地超出了自然状态下的平均值，或者某种成分含量减少，都会影响生物的正常发育和生长，给人类造成一定的危害。这是生态环境领域研究的主要对象之一。
4、大气圈物理特性
大气圈总质量估计为5.136×1015吨，占地球总质量的0.00009%。由于地心引力作用，因而大气圈79%的质量都集中在海平面以上18公里范围以内。
大气的密度和压力与高度成反比。大气的密度随高度增加而减小，越高空气越稀薄。在0℃条件下，干燥空气的压力直减率为每上升20公里气压减小10倍（限于距地面60公里高度以下）。大气压力与温度成反比。
大气温度随高度变化而变化，具有随高度垂直分布的特征和规律。例如，在对流层，温度随高度增加而递减，高度每上升100米温度降低0.6℃；在平流层，起初气温变化小，而在距地面30千米高度以上则气温迅速上升。
5、大气地质作用
大气是一种地质外营力，能够导致某些外力地质作用的发生。大气地质作用主要表现在：
⑴、二氧化碳等是参与地球化学作用的重要物质。
⑵、大气圈是生命的保护层（如臭氧层能吸收紫外线）。
⑶、大气使地球表面具有适宜的温度；产生各种气候现象，导致外力地质作用的发生。
⑷、运动的大气（风）是塑造地球表面形态（地貌）的一种重要动力。
2020年1月21日编写于重庆
2021年12月17日修改于重庆
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