熱層（英文名：Thermosphere），又稱(chēng)為電離層，是指中間層頂?shù)骄嗟孛婕s800公里的高度之間的高溫大氣層。熱層內(nèi)的空氣極為稀薄，其質(zhì)量?jī)H占大氣總質(zhì)量的0.5%。
在熱層層內(nèi)，溫度始終隨高度增加；大氣雖處于高度電離狀態(tài)，仍有相當(dāng)多的中性分子和原子。熱層沒(méi)有明顯的頂部，通常把熱層溫度趨于常數(shù)的起始高度稱(chēng)為熱層頂。熱層頂?shù)母叨纫搽S著太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)、弱而變化。熱層的高緯度地區(qū)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一種輝煌瑰麗的大氣光學(xué)現(xiàn)象——極光。
熱層層中空氣很稀薄，空氣分子在太陽(yáng)紫外線和宇宙射線的作用下變成離子和自由電子，空氣處于高度的電離狀態(tài)，因此，其導(dǎo)電性比對(duì)流層要大十億倍，它能反射無(wú)線電。短波無(wú)線電通訊得以進(jìn)行，熱層層的存在是一個(gè)重要條件。
層級(jí)分布
中間層頂（約85千米）至250km（在太陽(yáng)寧?kù)o期）或500km左右（太陽(yáng)活動(dòng)期）之間的大氣層。熱層又稱(chēng)暖層。從熱層底部向上，大氣溫度迅速增加，達(dá)到溫度梯度消失時(shí)的高度，即為熱層頂。
氣候特征
溫度
熱層頂高度隨太陽(yáng)活動(dòng)變化很大，通常在300～500千米之間。熱層幾乎吸收了波長(zhǎng)短于1750埃的全部太陽(yáng)紫外輻射，成為主要熱源，熱層溫度結(jié)構(gòu)主要受太陽(yáng)活動(dòng)的支配。
這一層溫度隨高度增加而迅速增加，層內(nèi)溫度很高，層頂溫度可達(dá)1500K，晝夜變化很大，熱層下部尚有少量的水分存在，因此偶爾會(huì)出現(xiàn)銀白并微帶藍(lán)色的夜光云。
大氣密度
熱層存在于離地表85公里以上的高空。在這樣的高度，剩余的大氣氣體會(huì)根據(jù)分子量而分層。熱層的空氣極為稀薄，本層質(zhì)量?jī)H占大氣總質(zhì)量的0.5%。在120公里高度以上的空間，空氣密度已小到聲波難以傳播的程度，在270公里高度上，空氣密度約為地面空氣的百億分之一，在300公里的高度上，空氣密度只及地面密度的千億分之一，再向上空氣就更稀薄了。
電離
熱層的大氣分子吸收了因太陽(yáng)的短波輻射及磁場(chǎng)后其電子能量增加，當(dāng)中一部份進(jìn)行電離，這些電離過(guò)的離子與電子形成了電離層，在熱成層的電離層，存在著E層（離地面100-120公里）、F1層（離地面170-230公里）、F2層（離地面200-500公里）（夜間融合為F層，約離地面300-500公里)三層。而因季節(jié)變化更會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性E層（Es層，約離地面100公里），電離層可以反射無(wú)線電，因此它又被人類(lèi)利用進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信。
極光現(xiàn)象
熱層在高緯度地區(qū)因磁場(chǎng)而被加速的電子會(huì)順勢(shì)流入，與熱層中的大氣分子沖突繼而受到激發(fā)及電離。當(dāng)那些分子復(fù)回原來(lái)狀態(tài)的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。此稱(chēng)為極光。
特點(diǎn)
熱層中，氣溫隨高度的增加而迅速增高。這是由于波長(zhǎng)小于0.175μm的太陽(yáng)紫外輻射都被該層中的大氣物質(zhì)（主要是原子氧）所吸收的緣故。其增溫程度與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，溫度隨高度增加很快升高，這時(shí)500km處的氣溫可增至2000K；當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)減弱時(shí)，溫度隨高度的增加增溫較慢，500km處的溫度也只有500K。
應(yīng)用
產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)
熱層沒(méi)有明顯的頂部。通常認(rèn)為在垂直方向上，氣溫從向上增溫至轉(zhuǎn)為等溫時(shí)，為其上限。在熱層中空氣處于高度電離狀態(tài)，其電離的程度是不均勻的。其中最強(qiáng)的有兩區(qū)，即E層（約位于90—130km）和F層（約位于160—350km）。F層在白天還分為一級(jí)方程式錦標(biāo)賽和F2兩區(qū)。據(jù)研究高層大氣（在60km以上）由于受到強(qiáng)太陽(yáng)輻射，迫使氣體原子電離，產(chǎn)生帶電離子和自由電子，使高層大氣中能夠產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)，并可反射無(wú)線電，從這一特征來(lái)說(shuō)，這種高層大氣又可稱(chēng)為電離層，正是由于高層大氣電離層的存在，人們才可以收聽(tīng)到很遠(yuǎn)地方的無(wú)線電臺(tái)的廣播。
在高緯度地區(qū)的晴夜，在熱層中可以出現(xiàn)彩色的極光。這可能是由于太陽(yáng)發(fā)出的高速帶電粒子使高層稀薄的空氣分子或原子激發(fā)后發(fā)出的光。這些高速帶電粒子在地球磁場(chǎng)的作用下，向南北兩極移動(dòng)，所以極光常出現(xiàn)在高緯度地區(qū)上空。
環(huán)境影響
2012年11月一期英國(guó)《自然—地球科學(xué)》雜志刊登報(bào)告說(shuō)，在大氣層分層中處于上部的熱層，其二氧化碳含量近來(lái)出現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是科學(xué)家首次直接觀測(cè)到這個(gè)層次大氣中二氧化碳含量上升，說(shuō)明人類(lèi)大量排放二氧化碳的影響已經(jīng)觸及大氣外圍。
英國(guó)約克大學(xué)研究人員和國(guó)際同行報(bào)告說(shuō)，他們這次借助衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分析出熱層中二氧化碳的含量變化。太陽(yáng)光在熱層大氣中被吸收，不同氣體分子會(huì)吸收不同波長(zhǎng)的光線，進(jìn)而可分析出其中二氧化碳分子的含量。結(jié)果顯示，在101千米的高度，二氧化碳含量在以每十年23.5ppm(1ppm為一百萬(wàn)分之一)的速率增長(zhǎng)。這是首次直接觀測(cè)到熱層大氣中的二氧化碳含量變化情況。近年來(lái)科學(xué)界在測(cè)量不同高度大氣中二氧化碳含量的變化，但之前最高只測(cè)量到35千米的高度。
參與研究的彼得·伯納斯教授說(shuō)，二氧化碳在大氣底層積累會(huì)導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”和氣溫升高，但在熱層這個(gè)高度二氧化碳含量上升，反而會(huì)導(dǎo)致氣溫下降。這是因?yàn)闊釋又袣怏w稀薄，二氧化碳絕對(duì)含量低，還不足以引發(fā)溫室效應(yīng)；同時(shí)二氧化碳分子會(huì)從周?chē)崃坎崃枯椛涞?a href="/hebeideji/7893440430145174678.html">宇宙空間，使溫度降低。
研究人員說(shuō)，熱層的二氧化碳濃度增加，可能對(duì)這一高度范圍內(nèi)的衛(wèi)星造成影響。因?yàn)闅鉁叵陆担瑲怏w密度變低，氣體對(duì)衛(wèi)星的阻力也會(huì)減小，長(zhǎng)期作用下可能會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星軌道變化。
據(jù)介紹，此前曾發(fā)現(xiàn)過(guò)一些衛(wèi)星軌道的變化，并據(jù)此推測(cè)熱層的氣體密度在降低，但原因不是很清楚。本次研究表明其原因可能就是人類(lèi)大量排放的二氧化碳逐漸向上擴(kuò)散到了熱層大氣之中。
報(bào)道
地球熱層發(fā)生大規(guī)模收縮
在刊登于6月19日《地球物理學(xué)研究快報(bào)》上的一篇研究論文中，研究人員公布了他們的發(fā)現(xiàn)。論文主執(zhí)筆人、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的約翰·埃默特表示：“這是在至少43年內(nèi)熱層出現(xiàn)的規(guī)模最大的一次收縮，可謂太空時(shí)代的一項(xiàng)紀(jì)錄。”
此次熱層塌陷在太陽(yáng)并不活躍的時(shí)期出現(xiàn)，也就是2008年至2009年的太陽(yáng)極小期。在太陽(yáng)極小期，熱層溫度降低并收縮，但最近的收縮卻是低太陽(yáng)活躍性所能解釋的兩到三倍。埃默特說(shuō)：“一定發(fā)生了一些我們并不了解的事情。”
熱層高懸于地面之上，靠近地球與太空邊緣的交匯處，距地面高度在55英里(約合90公里)至370英里(約合600公里)之間。衛(wèi)星和流星在這一高度飛過(guò)，極光則在這一高度閃耀。熱層與太陽(yáng)聯(lián)系緊密，受太陽(yáng)活躍性高低周期影響程度較大。這個(gè)氣層能夠在遠(yuǎn)紫外線抵達(dá)地球前對(duì)其進(jìn)行攔截。在活躍性較高時(shí)，太陽(yáng)的遠(yuǎn)紫外線加熱熱層，使其膨脹，就像是一個(gè)置于營(yíng)火上方的棉花糖。活躍性較低時(shí)，便會(huì)發(fā)生相反的事情。太陽(yáng)最近的活躍性極低。2008年和2009年，太陽(yáng)黑子數(shù)量極少，太陽(yáng)耀斑幾乎不存在，太陽(yáng)遠(yuǎn)紫外線則走向衰敗。然而，2008年至2009年的熱層收縮程度不僅超過(guò)以往任何時(shí)候，同時(shí)也無(wú)法單用太陽(yáng)活躍性加以解釋。
為了計(jì)算這種收縮，埃默特對(duì)1967年至2010年繞地球軌道運(yùn)行的5000多顆衛(wèi)星的衰減率進(jìn)行了分析。分析提供了一個(gè)涵蓋整個(gè)太空時(shí)代的熱層密度、溫度和壓力的時(shí)空樣本。埃默特表示，熱層中的二氧化碳似乎可以在解釋大氣收縮過(guò)程中扮演角色。這種氣體充當(dāng)了一個(gè)冷卻劑，通過(guò)紅外輻射釋放熱量。眾所周知，地球大氣中的二氧化碳水平一直持增長(zhǎng)之勢(shì)。更多的二氧化碳會(huì)放大太陽(yáng)極小期的冷卻作用。埃默特說(shuō)：“但事情并不是這么簡(jiǎn)單。即使利用我們對(duì)充當(dāng)冷卻劑的二氧化碳如何產(chǎn)生影響的了解將這一因素考慮在內(nèi)，我們也無(wú)法完全解釋熱層的大規(guī)模收縮。”研究人員希望對(duì)這個(gè)上層大氣層的進(jìn)一步監(jiān)測(cè)能夠幫助他們揭開(kāi)謎團(tuán)。
參考資料 >
熱層.www.zgbk.com.2024-03-22