高层大气 upper atmosphere

通常指距地面90千米以上的地球大气。高层大气部分是中性的，部分是被电离的，通常高层大气仅指中性的那一部分，电离的部分被称为电离层。所有的低轨道航天器都运行在高层大气之中，因此高层大气对航天器轨道有很大的影响。类似地也可以定义行星高层大气。

高层大气实际上包括热层和外逸层两个部分。从90千米往上，大气由于吸收了太阳的紫外辐射而被部分电离，由此引发的一系列的光化学反应伴随着放热过程，导致大气温度的急剧升高，直到200千米以上才逐渐趋于等温状态，温度最高可达500～2100 K，这一部分大气被称为热层。热层的顶部在250～500千米高度，再往上的大气称为外逸层，其温度不随高度而变化。

在低层大气中，湍流使得大气的各种成分均匀混合在一起，大气成分随高度没有明显变化，这部分大气因此也被称为均质层。

从90千米到105千米高度，尽管湍流混合还起主要作用，但一些化学反应改变了大气成分随高度的分布；105千米以上，大气的分布主要受重力的控制，虽然大气所有成分的密度都随高度的增加而降低，但其中重的成分比轻的成分降低得快。大气的主要成分由氮气、原子氧和氧分子逐渐变为原子氧、氦和原子氢，大气的平均分子量从90千米附近的29左右下降到500千米附近的15左右。由于成分随高度变化，高层大气又被称为非均质大气。

在高层大气底部，大气的密度为0.001克／立方米，而在顶部则只有底部的十亿分之一。

由于高层大气的温度受太阳辐射的影响，因此太阳辐射的变化会导致高层大气状态的变化。

地球自转使得高层大气存在昼夜变化。在200千米高度以下，高层大气温度和密度的昼夜变化不明显。但随着高度的增加，大气呈现出明显的昼夜变化。当太阳直射的时候（正午），大气所能吸收的太阳辐射最多，因此日下点附近的高层大气温度与密度最大，而背日点附近最小，昼夜温差可以达到100 K以上，密度可以差2倍。

由于大气对太阳辐射的响应需要一定的时间，因此高层大气的温度、密度极大值并不正好出现在正午和午夜，而是有几个小时的滞后。通常，温度在当地时间15点出现极大值，凌晨3点出现极小值，而密度的极大值和极小值分别出现在14点和4点。

午间的高温与高密度导致高的气压，这种高气压会驱动高层大气从白天的高压区向夜间的低压区运动。这种效应和由重力、地球自转等其他物理机制产生的效应一起在高层大气中驱动一个速度高达每秒几百千米来的复杂风系：白天风向朝北，指向极区，风速较小，夜间风向朝南，指向赤道，风速较大；高纬地区风向明显偏东，低纬地区明显偏西。

由于地球距太阳的距离1月最近，7月最远，同时其公转轨道每年两次经过太阳赤道面，因此高层大气存在明显的半年变化，其温度和密度分别在10月和7月达到极大和极小，4月和1月分别达到次极大和次极小。一年间高层大气顶部的温差可以达到100 K以上．密度相差1倍以上。

太阳活动直接改变太阳辐射强度，因此高层大气的状态会随太阳活动的变化而变化。太阳活动的逐日变化、27天周期、11年和22年周期都能在高层大气中引起对应的变化。当太阳爆发时，太阳风会带来大量的能量，这些能量通过一定的耦合机制，急剧地改变高层大气的密度、温度和运动状态。不同的太阳活动程度导致的高层大气顶部温度变化幅度高达500 K以上，密度变化高达5倍以上。

另外，高层大气的一些重要物理参数还有季节、纬度等变化，如在北半球夏至的时候，南北极高层大气顶部温度可以相差500 K。

由于高层大气（仅指中性成分而言）与电离层几乎存在于相同的高度范围内，因此在它们中发生的物理过程通常都不是孤立的，而是耦合在一起。对于电离层而言，高层大气是一个背景，高层大气的状态和变化会强烈地影响电离层。如太阳辐射并不能直接有效地加热中性成分，而只能加热电离成分；热层的高温就是来源于电离成分通过碰撞传递给中性成分的能量。相对而言，电离层变化对高层大气的影响就小一些，但有时候也非常显著。如在地磁活动期间，从磁层沉降下来的带电离子会加热极区电离层，进而通过电离层和高层大气的耦合加热中性成分，导致高层大气中大尺度的波动现象。

高层大气（以及电离层）还和位于它们上方的磁层和位于它们下方的低层大气有强烈的耦合。如磁层中的爆发现象必定会导致高层大气和电离层的响应，高层大气和电离层也可能为层提供一些物质；低层大气中的环流及其造成的大气成分的小变化可以显著地影晌高层大气底部的状态，而有迹象表明高层大气中的变化也会影响到低层大气。

高层大气对轨道航天器的寿命、轨道、姿态都有很大的影响。大气对运动物体的阻力正比于飞行器垂直于飞行方向的截面积，并通过这一机制改变航天器的姿态。大气阻力还正比于大气密度，也正比于物体运动速度的平方。尽管高层大气十分稀薄，但由于轨道航天器相对于大气的速度高达约每秒8千米，因此高层大气能够显著地阻碍轨道航天器的飞行，降低航天器的飞行高度；而大气的密度高度的降低而增加，飞行高度的降低会导致阻力的进一步增大，结果飞行高度会进一步降低，致使飞行器最终陨落。如果由于某种原因高层大气发生大的扰动，就有可能导致飞行器提前陨落。

高层大气上部的主要成分是原子氧，它对航天器表面材料有极强的腐蚀作用，会导致表面材料的质量损失、表面剥落和材料变性、从而影响航天器的寿命。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第7册，中国大百科全书出版社，2009年