高層大氣結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)2014

1、地球高層大氣結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)地球高層大氣結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng) 一一、氣體的性質(zhì)；、氣體的性質(zhì)； 二、中性大氣的垂直結(jié)構(gòu)與組成；二、中性大氣的垂直結(jié)構(gòu)與組成； 三、中性大氣的運(yùn)動(dòng)；三、中性大氣的運(yùn)動(dòng)； 四、標(biāo)準(zhǔn)大氣和大氣模式。四、標(biāo)準(zhǔn)大氣和大氣模式。氣體的性質(zhì)氣體的性質(zhì) 理想氣體普適定律理想氣體普適定律 氣體的熱平衡氣體的熱平衡 連續(xù)性連續(xù)性 氣體碰撞氣體碰撞分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散系數(shù)比較。 大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣的垂直結(jié)構(gòu) 對流層：溫度以每公里大約10的梯度隨高度遞降，直至10-12 km，達(dá)到溫度極小值，對應(yīng)對流層頂。平流層：溫度均勻，又稱同溫層，事實(shí)上，平流層的溫度隨高度上升而平緩增高，由于臭氧對太陽紫外輻射的吸

2、收，在約50 km高度有一個(gè)溫度極大值，對應(yīng)平流層頂。中層：溫度再次隨高度而遞降，至80-85 km，又出現(xiàn)一個(gè)溫度極小值，對應(yīng)中層頂。中層之上，太陽紫外輻射導(dǎo)致溫度梯度為正值，這一層稱作熱層。隨高度上升，最終熱層溫度僅隨時(shí)間變化而基本上不隨高度變化，同時(shí)溫度很高，一般達(dá)到1000K以上，這是大氣層最熱的部分。地球中性大氣的垂直分層地球中性大氣的垂直分層 按大氣的混合狀態(tài)分層，在低層大氣中，大氣處于充分混合狀態(tài)，除一些次要成分外，主要大氣成分比例不隨高度變化，這一完全混合的區(qū)域稱作均質(zhì)層(Homosphere)。由于大氣的混合的主因是湍流，所以又稱湍流層(Turbosphere)。均質(zhì)層或湍流

3、層頂在約100km高度。在100km高度以上，擴(kuò)散分離遠(yuǎn)比湍流混合迅速，由于重力的作用，不同大氣成分可能分離，導(dǎo)致大氣成分比例隨高度變化，所以100km以上又統(tǒng)稱非均質(zhì)層(Helerosphere)。在非均質(zhì)層，擴(kuò)散分離遠(yuǎn)快于湍流混合。在100km以下，分子擴(kuò)散系數(shù)小于渦流擴(kuò)散系數(shù)，在大約100km高度，兩者大致相等，在100km高度以上，渦流擴(kuò)散系數(shù)迅速下降至約115km高度接近為零，而分子擴(kuò)散系數(shù)快速增大，至150km高度，增大至104至105m2/s。在非均質(zhì)層的某些高度區(qū)間，主要?dú)怏w成分分別為氦和氫，對應(yīng)又稱氦層(Heliosphere)和質(zhì)子層(Protosphere)。在大約600

4、km以上，單個(gè)原子能夠脫離地球引力作用而逃逸，所以600km高度以上又稱作逃逸層(Exosphere)。在逃逸層之下稱作氣壓層(Barosphere)。地表之上約60km高度起，氣體分子或原子處于部分或完全電離狀態(tài)，在大氣層最外部分，地磁場控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，所以60km高度以上區(qū)域又稱作電離層(Ionosphere)和磁層(Magnetosphere)。電離層與磁層之間沒有明顯的邊界，通常把1000km以下區(qū)域稱作電離層，磁層在電離層之上，是地球大氣層的最外部分，在向陽面，地磁場外邊界終止于大約1012個(gè)RE，這個(gè)邊界稱磁層頂(Magnetopause)。大氣熱損耗和熱傳輸大氣熱損耗和熱傳輸

5、逃逸層溫度的周日變化和120km以上綜合的加熱與熱損耗的主要機(jī)制。(a)分子離解加熱；(b)電離所致熱電子；(c)碰撞和化學(xué)反應(yīng)；(d)大氣膨脹和收縮。 在幾百km高度區(qū)域，大氣以原子氧為主；再往上氦的含量最豐富；最后氫變成最主要的成分。逃逸層大氣中的兩種主要成分氦和氫在對流層僅僅是次要的成分。氦由地殼中的放射性衰變過程產(chǎn)生，向上擴(kuò)散到大氣層，最終逃逸到太空中。原子氫主要在湍流層頂附近由水蒸氣離解產(chǎn)生，向上擴(kuò)散到太空。大氣次要成分大氣次要成分中性大氣的運(yùn)動(dòng)中性大氣的運(yùn)動(dòng)中高層大氣中的風(fēng)中高層大氣中的風(fēng)穩(wěn)定的水平運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的水平運(yùn)動(dòng)磁暴和高緯熱源的影響磁暴和高緯熱源的影響兩分點(diǎn)兩分點(diǎn)( (左左)

6、)和兩至點(diǎn)和兩至點(diǎn)( (右右) )，高緯加熱對全球熱層環(huán)流的影響，高緯加熱對全球熱層環(huán)流的影響上、中和下三圖分別代表地磁平靜條件、中等活動(dòng)水平上、中和下三圖分別代表地磁平靜條件、中等活動(dòng)水平(10(101111J/s)J/s)和和地磁亞暴地磁亞暴(10(101212J/s)J/s)條件下的子午環(huán)流。條件下的子午環(huán)流。 熱層大氣潮汐熱層大氣潮汐大氣潮汐是大氣的一種重要的運(yùn)動(dòng)形式，特別是在比較高的高度上，潮汐顯得更重要。所謂潮汐，就是以1天或1/N(N為整數(shù))天為周期的大氣振蕩。如果所指的1天是太陽日，就是太陽潮汐。如果是太陰日，就是太陰潮汐。流星雷達(dá)觀測到的高層大氣中子午向風(fēng)和緯向風(fēng) 大氣重力波大氣重力波理 想 大 氣 中 聲速、浮力頻率和聲截止頻率的高度剖面 重力波的標(biāo)志性特征重力波的一個(gè)標(biāo)志性的特征是，當(dāng)波的相速度的垂直分量向下時(shí)，群速度的垂直分量指向上，在無耗大氣中，群速度的方向就是能量傳播的方向。