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大气分层

归档日期:07-26       文本归类:非电离层      文章编辑:爱尚语录

  大气分层(atmospheric subdivision)按照大气在垂直方向的各种特性,将大气分成若干层次。按大气温度随高度分布的特征,可把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。按大气各组成成分的混和状况,可把大气分为均匀层和非均匀层。按大气电离状况,可分为电离层和非电离层。按大气的光化反应,可分为臭氧层。按大气运动受地磁场控制情况,可分有磁层。

  就整个地球来说,愈靠近核心,组成物质的密度就愈大。大气圈是地球的一部分,若与地球的固体部分相比较,密度要比地球的固体部分小得多,全部大气圈的重量大约为5000万亿吨,还不到地球总重量的百分之一;以大气圈的高层和低层相比较,高层的密度比低层要小得多,而且越高越稀薄。假如把海平面上的空气密度作为1,那么在240公里的高空,大气密度只有它的一千万分之一;到了1600公里的高空就更稀薄了,只有它的一千万亿分之一。整个大气圈质量的90%都集中在高于海平面16公里以内的空间里。再往上去当升高到比海平面高出80公里的高度,大气圈质量的99.999%都集中在这个界限以下,而所剩无几的大气却占据了这个界限以上的极大的空间。

  探测结果表明,地球大气圈的顶部并没有明显的分界线,而是逐渐过渡到星际空间的。高层大气稀薄的程度虽说比人造的真空还要“空”,但是在那里确实还有气体的微粒存在,而且比星际空间的物质密度要大得多,然而,它们已不属于气体分子了,而是原子及原子再分裂而产生的粒子。以80-100公里的高度为界,在这个界限以下的大气,尽管有稠密稀薄的不同,但它们的成分大体是一致的,都是以氮和氧分子为主,这就是我们周围的空气。而在这个界限以上,到1000公里上下,就变得以氧为主了;再往上到2400公里上下,就以氦为主;再往上,则主要是氢;在3000公里以上,便稀薄得和星际空间的物质密度差不多了。

  自地球表面向上,大气层延伸得很高,可到几千公里的高空。根据人造卫星探测资料的推算,在2000-3000公里的高空,地球大气密度便达到每立方厘米一个微观粒子这一数值,和星际空间的密度非常相近,这样2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大气的上界。

  地球大气按其基本特性可分为若干层,但按不同的特性有不同的分层方法。常见的分层方法有:

  自地球表面向上,随高度的增加空气愈来俞稀薄。大气的上界可延伸到2000~3000公里的高度。在垂直方向上,大气的物理性质有明显的差异。根据气温的垂直分布、大气扰动程度、电离现象等特征,一般将大气分为五层对流层、平流层 、中间层 、热层和 外层(又称外逸层或逃逸层)。接近地面、对流运动最显著的大气区域为对流层,对流层上界称对流层顶,在赤道地区高度约17~18千米,在极地约8千米;从对流层顶 至约50千米的大气层称平流层,平流层内大气多作水平运动,对流十分微弱,臭氧层即位于这一区域内;中间层又称中层,是从平流层顶至约80千米的大气区域;热层是中间层顶至300~500千米的大气层;热层顶以上的大气层称外层大气。

  对流层是大气的最下层。它的高度因纬度和季节而异。就纬度而言,低纬度平均为17~18公里;中纬度平均为10~12公里;高纬度仅8~9公里。就季节而言,对流层上界的高度,夏季大于冬季,例如南京夏季对流层厚度可达17公里,冬季只有11公里。

  对流层集中了整个大气质量的3/4和几乎全部水汽,它具有以下三个基本特征:

  (1)气温随高度的增加而递减,平均每升高100米,气温降低0.65℃。其原因是太阳辐射首先主要加热地面,再由地面把热量传给大气,因而愈近地面的空气受热愈多,气温愈高,远离地面则气温逐渐降低。

  (2)空气有强烈的对流运动。地面性质不同,因而受热不均。暖的地方空气受热膨胀而上升,冷的地方空气冷缩而下降,从而产生空气对流运动。对流运动使高层和低层空气得以交换,促进热量和水分传输,对成云致雨有重要作用。

  (3)天气的复杂多变。对流层集中了75%大气质量和90%的水汽,因此伴随强烈的对流运动,产生水相变化,形成云、雨、雪等复杂的天气现象。因此,对流层与地表自然界和人类关系最为密切。

  对流层内部根据温度、湿度和气流运动,以及天气状况诸方面的差异,通常划分为三层:

  ①对流层下层:底部和地表接触,上界大致为1—2 公里,有季节和昼夜等的变化,一般夏季高于冬季,白天高于夜间。下层的特点是水汽、杂质含量最多,气温日变化大,气流运动受地表摩擦作用强烈,空气的垂直对流、乱流明显,故下层通常也叫摩擦层或边界层。

  ②对流层中层:下界为摩擦层顶,上部界限在6公里左右。中层受地面影响很小,空气运动代表整个对流层的一般趋势,大气中发生的云和降水现象,多数出现在这一层。此层的上部,气压只及地面的一半。

  ③对流层上层:范围从6 公里高度伸展到对流层顶部。这一层的水汽含量极少,气温经常保持在0℃以下,云都由冰晶或过冷水滴所组成。

  在对流层和平流层之间,还存在一个厚度数百米至1—2公里的过渡层,称为对流层顶。其气温随高度增加变化很小,甚至没有变化,它抑制着对流层内的对流作用进一步发展。

  (1)温度随高度增加由等温分布变逆温分布。平流层的下层随高度增加气温变化很小。大约在20公里以上,气温又随高度增加而显著升高,出现逆温层。这是因为20~25公里高度处,臭氧含量最多。臭氧能吸收大量太阳紫外线,从而使气温升高,并大致在50公里高空形成一个暖区。到平流层顶,气温约升到270—290K。

  (2)垂直气流显著减弱。平流层中空气以水平运动为主,空气垂直混合明显减弱,整个平流层比较平稳。

  (3)水汽、尘埃含量极少。由于水汽、尘埃含量少,对流层中的天气现象在这一层很少见,只在底部偶然出现一些分散的贝云。平流层天气晴朗,大气透明度好。

  本层气流运动相当平稳,并以水平运动为主,平流层即由此而得名。现代民用航空飞机可在平流层内飞行。

  (1)气温随高度增高而迅速降低,中间层的顶界气温降至-83℃~-113℃。因为该层臭氧含量极少,不能大量吸收太阳紫外线,而氮、氧能吸收的短波辐射又大部分被上层大气所吸收,故气温随高度增加而递减。

  (2)出现强烈地对流运动,又称为高空对流层或上对流层。这是由于该层大气上部冷、下部暖,致使空气产生对流运动。但由于该层空气稀薄,空气的对流运动不能与对流层相比。

  从中间层顶到800公里高度为暖层。这一层大气密度很小,在700公里厚的气层中,只含有大气总质量的0.5%。

  (1)随高度的增高,气温迅速升高。据探测,在300公里高度上,气温可达1000℃以上。这是由于所有波长小于0.175微米的太阳紫外辐射都被该层的大气物质所吸收,从而使其增温。

  (2)空气处于高度电离状态。这一层空气密度很小,在270公里高度处,空气密度约为地面空气密度的百亿分之一。由于空气密度小,在太阳紫外线和宇宙射线的作用下,氧分子和部分氮分子被分解,并处于高度电离状态,故暖层又称电离层。电离层具有反射无线电波的能力,对无线电通讯有重要意义。

  暖层顶以上,称外层。它是大气的最外一层,也是大气层和星际空间的过渡层,但无明显的边界线。这一层,空气极其稀薄,大气质点碰撞机会很小。气温也随高度增加而升高。由于气温很高,空气粒子运动速度很快,又因距地球表面远,受地球引力作用小,故一些高速运动的空气质点不断散逸到星际空间,散逸层由此而得名。据宇宙火箭资料证明,在地球大气层外的空间,还围绕由电离气体组成极稀薄的大气层,称为“地冕”。它一直伸展到22000公里高度。由此可见,大气层与星际空间是逐渐过渡的,并没有截然的界限。

  按大气成分随高度分布特征,可分为均匀层和非均匀层。这种划分是以距海平面80千米的高度为界限的。

  指从地面到约80千米的大气层,因其大气各成分所占的体积百分比保持不变。均匀层的平均分子量为28.966克/摩尔,为一常数。

  为80千米以上的大气区域,不同大气成分所占的体积百分比随高度而变,比较轻的气体如氧原子、氦原子、氢原子等越来越多,大气就不再是均匀的混合了,平均分子量不再是常数。

  又称非电离层 ,在海平面以上60公里以内的大气,基本上没有被电离处于中性状态的大气层。

  在60公里以上至1000公里的高度,这一层大气在太阳紫外线的作用下,大气成分开始电离,形成大量的正、负离子和自由电子,所以这一层叫做电离层,这一层对于无线电波的传播有着重要的作用。

  3 障碍物绕射传播,对于短波高端、超短波和微波无线电通信电路,当电路上存在障碍物时,出现障碍绕射传播;

  4 大气波导传播,当对流层的折射指数梯度满足一定条件时,对于米波至厘米波的无线电射线会出现大气波导传播。

  (1)在对流层的某一高度范围内,当M指数随高度减小,即dM/dh0,称为逆变层;

  (2)在逆变层中,射线的真实曲率大于地球曲率,平行地面或以一微小角度入射的无线电波会向下弯曲然后从地球上反射,即超折射;

  (3)可能发生的条件:温度随高度的逆增比标准折射时快得多而湿度的减小则快得多;

  (1)地面发射的中频电波,有延地面传播的地波和经电离层反射的天波两种传播模式;

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