高層大氣結(jié)構(gòu)與運動2014

1、地球高層大氣結(jié)構(gòu)與運動地球高層大氣結(jié)構(gòu)與運動 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、中性大氣的運動；三、中性大氣的運動； 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間變化而基本上不隨高度變化，同時溫度很高，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，主要氣體成分分別為氦和氫，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動，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RE，這個邊界稱磁層頂(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動中性大氣的運動中高層大氣中的風(fēng)中高層大氣中的風(fēng)穩(wěn)定的水平運動穩(wěn)定的水平運動磁暴和高緯熱源的影響磁暴和高緯熱源的影響兩分點兩分點( (左左)

6、)和兩至點和兩至點( (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、中等活動水平上、中和下三圖分別代表地磁平靜條件、中等活動水平(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動形式，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標(biāo)志性的特征是，當(dāng)波的相速度的垂直分量向下時，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。