电离层和磁层

13.1.1 大气分层

在地球引力的作用下，地球大气聚集在地球周围而形成大气层。大气受太阳辐射、日月引力等作用，处于不停的运动之中。它的密度、温度、压力、成分和电离度等随高度、经纬度和地方时而变化。根据不同物理参数随高度的分布，大气层可以分为不同的层区，如图13- 1所示。

如果按照温度分布来划分，可将大气层分为对流层（0～10km），平流层（10～50km），中间层（50～80km）和热层（＞80km）。从地面向上，温度以大约10K/km的速率递减，至10～12km处达到最低温度，这一层叫作对流层，温度最低处叫作对流层顶。大部分天气过程发生在对流层。对流层顶以上是平流层。测量发现平流层大气温度随高度而递增，到50km处温度达到最高，这就是平流层顶。增温现象是臭氧吸收太阳辐射的结果。平流层顶之上温度再次随高度递减，这就是中间层（又叫中层大气），至80～85km高度处（中间层顶）达到最低温度180K，这是大气层最冷的部分。中间层顶以上，温度再次随高度递增，这就是热层（又叫高层大气）。温度超过1000K后，基本不再随高度而变，这是大气层最热的部分。

图13-1 地球大气的分层结构（徐文耀，2003）

大气层也可以按照大气混合和组分情况分为上下两层。100km以下大气混合充分，组分不随高度改变，因此，平均分子量也不随高度改变（但密度随高度而变），这一层叫湍流层或均匀层；100km以上的大气缺乏混合，组分随高度而变化，重的成分趋于分布在下部，轻的分布在上部，这一层叫非均匀层。两层的分界面叫湍流层顶。非均匀层下部以氮为主，叫作氮层；上部以氢为主，叫作质子层。

在空间物理学研究中，经常按照电离度的大小，把大气分为中性层、电离层和磁层。由于太阳紫外线、X射线和高能粒子等的作用，部分大气被电离。但在70km以下，大气中带电粒子很少，大气的动力学状态可用一般流体力学定律来描述。70km以上，大气处于部分电离状态，带电粒子多到足以反射无线电波，大气的电磁性质变得非常重要，这就是电离层。习惯上把70～1000km高度范围内（出现部分大气被电离）的大气层叫作电离层，而1000km以上称为磁层（那里大气完全被电离）。

13.1.2 电离层

电离层中除了带电粒子外，还有大量的中性成分。所以，电离层的动力学和电动力学行为，一方面决定于带电粒子，另一方面又受到带电粒子与中性粒子碰撞的影响和控制。磁层中粒子之间几乎没有碰撞，带电粒子的运动主要受磁场控制。

与地球变化磁场直接有关的是电离层和磁层，而电离层的结构和动力学行为决定于电子和离子密度、温度等参数。其中，电子密度是最重要的物理量。电子密度决定于两个相反的过程：一个是中性大气吸收太阳辐射而电离的过程；另一个是正负带电粒子碰撞而复合成中性粒子的过程。在很高的高度上，太阳辐射虽强，但空气密度很小，可供电离的成分有限，所以电子密度不会很大；在较低高度处，空气密度大，可供电离的中性成分很多，但太阳辐射透过厚厚的大气时变得愈来愈弱，而且复合过程变强，因此，这里的电子密度也不会很大。由此可知，电子密度在某一中间高度（约300km处）将达到最大值。由这个高度往下，电子密度迅速减小；由此往上，电子密度缓慢减小，到1000km处与磁层衔接。

按照电子密度随高度的变化，电离层可分为D，E，F3层，白天的F层又可分为F1层和F2层。各层电子密度峰值分别位于90，110，180和300km附近，最大电子密度可达106/cm3。电离层的分层结构随经纬度而变化，并且有周日、季节和年变化，在太阳活动剧烈时，还会发生电离层骚扰。

电离层电流是变化地磁场的主要场源，而决定电流的一个重要因素是电导率。图13-2给出电离层电导率的高度分布。可以看出，90～130km是一个电导率极大的区域，叫作“发电机区”，产生地磁日变化的电流主要分布在这个区内。早在电离层发现以前，人们就根据地磁场周日变化现象预言了电离层的存在。

在日月潮汐、电场力等机械力和电磁力的共同作用下，电离层等离子体在地球磁场中进行复杂的运动，产生感应电动势和电流，形成了我们观测到的地磁场平静太阳日变化和太阴日变化。

除了平静电流体系外，电离层中经常流动着各种各样的扰动电流体系，并产生相应的地磁变化。例如，当亚暴发生时，极区会生成空间结构和时间变化都极其复杂的亚暴电流体系，并产生地磁亚暴变化。

图13-2 地球电离层的电导率分布（徐文耀，2003）

σp—Pedersen电导率；σH—Hall电导率；σL—纵向电导率

13.1.3 磁层

离地面1000km以上的大气层处于完全电离状态，此处的大气非常稀薄，带电粒子的碰撞频率极小，它们的运动状态主要受地磁场的控制，所以，把这个区域叫作磁层。磁层的下面与电离层相接，磁层外边界叫磁层顶，其向阳一侧形似半椭球面，背阳一侧呈逐渐变粗的圆筒形，该圆筒围成的空间叫磁尾。在平静太阳风中，向日面磁层顶日下点的地心距约为10个地球半径，磁尾截面半径约为20个地球半径，其长度超过1000个地球半径。当太阳风剧烈扰动时，磁层顶日下点可以被压缩到6～7个地球半径处。太阳风在地球附近的速度超过音速。当这个超音速等离子体流受到磁层阻挡时，在磁层顶上游几个地球半径处，形成相对于磁层顶静止的弓形驻激波，称为弓激波。太阳风等离子体通过弓激波后受到压缩和加热，形成湍动的磁鞘等离子体。