13.1.1 大氣分層

在地球引力的作用下，地球大氣聚集在地球周圍而形成大氣層。大氣受太陽輻射、日月引力等作用，處于不停的運動之中。它的密度、溫度、壓力、成分和電離度等隨高度、經(jīng)緯度和地方時而變化。根據(jù)不同物理參數(shù)隨高度的分布，大氣層可以分為不同的層區(qū)，如圖13- 1所示。

如果按照溫度分布來劃分，可將大氣層分為對流層（0～10km），平流層（10～50km），中間層（50～80km）和熱層（＞80km）。從地面向上，溫度以大約10K/km的速率遞減，至10～12km處達(dá)到最低溫度，這一層叫作對流層，溫度最低處叫作對流層頂。大部分天氣過程發(fā)生在對流層。對流層頂以上是平流層。測量發(fā)現(xiàn)平流層大氣溫度隨高度而遞增，到50km處溫度達(dá)到最高，這就是平流層頂。增溫現(xiàn)象是臭氧吸收太陽輻射的結(jié)果。平流層頂之上溫度再次隨高度遞減，這就是中間層（又叫中層大氣），至80～85km高度處（中間層頂）達(dá)到最低溫度180K，這是大氣層最冷的部分。中間層頂以上，溫度再次隨高度遞增，這就是熱層（又叫高層大氣）。溫度超過1000K后，基本不再隨高度而變，這是大氣層最熱的部分。

圖13-1 地球大氣的分層結(jié)構(gòu)（徐文耀，2003）

大氣層也可以按照大氣混合和組分情況分為上下兩層。100km以下大氣混合充分，組分不隨高度改變，因此，平均分子量也不隨高度改變（但密度隨高度而變），這一層叫湍流層或均勻?qū)樱?00km以上的大氣缺乏混合，組分隨高度而變化，重的成分趨于分布在下部，輕的分布在上部，這一層叫非均勻?qū)?。兩層的分界面叫湍流層頂。非均勻?qū)酉虏恳缘獮橹鳎凶鞯獙?；上部以氫為主，叫作質(zhì)子層。

在空間物理學(xué)研究中，經(jīng)常按照電離度的大小，把大氣分為中性層、電離層和磁層。由于太陽紫外線、X射線和高能粒子等的作用，部分大氣被電離。但在70km以下，大氣中帶電粒子很少，大氣的動力學(xué)狀態(tài)可用一般流體力學(xué)定律來描述。70km以上，大氣處于部分電離狀態(tài)，帶電粒子多到足以反射無線電波，大氣的電磁性質(zhì)變得非常重要，這就是電離層。習(xí)慣上把70～1000km高度范圍內(nèi)（出現(xiàn)部分大氣被電離）的大氣層叫作電離層，而1000km以上稱為磁層（那里大氣完全被電離）。

13.1.2 電離層

電離層中除了帶電粒子外，還有大量的中性成分。所以，電離層的動力學(xué)和電動力學(xué)行為，一方面決定于帶電粒子，另一方面又受到帶電粒子與中性粒子碰撞的影響和控制。磁層中粒子之間幾乎沒有碰撞，帶電粒子的運動主要受磁場控制。

與地球變化磁場直接有關(guān)的是電離層和磁層，而電離層的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為決定于電子和離子密度、溫度等參數(shù)。其中，電子密度是最重要的物理量。電子密度決定于兩個相反的過程：一個是中性大氣吸收太陽輻射而電離的過程；另一個是正負(fù)帶電粒子碰撞而復(fù)合成中性粒子的過程。在很高的高度上，太陽輻射雖強，但空氣密度很小，可供電離的成分有限，所以電子密度不會很大；在較低高度處，空氣密度大，可供電離的中性成分很多，但太陽輻射透過厚厚的大氣時變得愈來愈弱，而且復(fù)合過程變強，因此，這里的電子密度也不會很大。由此可知，電子密度在某一中間高度（約300km處）將達(dá)到最大值。由這個高度往下，電子密度迅速減小；由此往上，電子密度緩慢減小，到1000km處與磁層銜接。

按照電子密度隨高度的變化，電離層可分為D，E，F(xiàn)3層，白天的F層又可分為F1層和F2層。各層電子密度峰值分別位于90，110，180和300km附近，最大電子密度可達(dá)106/cm3。電離層的分層結(jié)構(gòu)隨經(jīng)緯度而變化，并且有周日、季節(jié)和年變化，在太陽活動劇烈時，還會發(fā)生電離層騷擾。

電離層電流是變化地磁場的主要場源，而決定電流的一個重要因素是電導(dǎo)率。圖13-2給出電離層電導(dǎo)率的高度分布。可以看出，90～130km是一個電導(dǎo)率極大的區(qū)域，叫作“發(fā)電機區(qū)”，產(chǎn)生地磁日變化的電流主要分布在這個區(qū)內(nèi)。早在電離層發(fā)現(xiàn)以前，人們就根據(jù)地磁場周日變化現(xiàn)象預(yù)言了電離層的存在。

在日月潮汐、電場力等機械力和電磁力的共同作用下，電離層等離子體在地球磁場中進行復(fù)雜的運動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，形成了我們觀測到的地磁場平靜太陽日變化和太陰日變化。

除了平靜電流體系外，電離層中經(jīng)常流動著各種各樣的擾動電流體系，并產(chǎn)生相應(yīng)的地磁變化。例如，當(dāng)亞暴發(fā)生時，極區(qū)會生成空間結(jié)構(gòu)和時間變化都極其復(fù)雜的亞暴電流體系，并產(chǎn)生地磁亞暴變化。

圖13-2 地球電離層的電導(dǎo)率分布（徐文耀，2003）

σp—Pedersen電導(dǎo)率；σH—Hall電導(dǎo)率；σL—縱向電導(dǎo)率

13.1.3 磁層

離地面1000km以上的大氣層處于完全電離狀態(tài)，此處的大氣非常稀薄，帶電粒子的碰撞頻率極小，它們的運動狀態(tài)主要受地磁場的控制，所以，把這個區(qū)域叫作磁層。磁層的下面與電離層相接，磁層外邊界叫磁層頂，其向陽一側(cè)形似半橢球面，背陽一側(cè)呈逐漸變粗的圓筒形，該圓筒圍成的空間叫磁尾。在平靜太陽風(fēng)中，向日面磁層頂日下點的地心距約為10個地球半徑，磁尾截面半徑約為20個地球半徑，其長度超過1000個地球半徑。當(dāng)太陽風(fēng)劇烈擾動時，磁層頂日下點可以被壓縮到6～7個地球半徑處。太陽風(fēng)在地球附近的速度超過音速。當(dāng)這個超音速等離子體流受到磁層阻擋時，在磁層頂上游幾個地球半徑處，形成相對于磁層頂靜止的弓形駐激波，稱為弓激波。太陽風(fēng)等離子體通過弓激波后受到壓縮和加熱，形成湍動的磁鞘等離子體。