關于大氣分布模型張捍衛李彬華楊磊鐵瓊仙冒蔚中國科學院國家天文臺云南天文臺云南昆明’昆明理工大學云南昆明’摘要簡述了大氣垂直分布情況和高空探測方法分析了目前只能采用球對稱大氣分布模型的原因論證了隨觀測站、隨方位而異的天文大氣折射實測模型和折射延遲改正模型已經包含了觀測站上空大氣實際分布的非球對稱特性不必再去尋找或建立隨地勢而異和隨季節而變的大氣分布模型避免了大氣分布模型選擇不當的影響從一個方面為提高天文大氣折射改正精度和電磁波大氣折射延遲改正精度提供了保證。
關鍵詞大氣分布模型非球對稱大氣折射折射延遲中圖分類號’文獻標識碼-文章編號’’.地球大氣的垂直分布地球大氣是包圍地球的空氣總稱不僅隨著地球的自轉而轉動相對于地殼也有垂直的和水平的復雜運動。大氣的總質量為/0約占地球總質量的百萬分之一地球的總質量為’/0地表附近密度最大在標準大氣狀況下即在地理緯度為.1、海拔高度為零、氣溫為2、氣壓等于34的條件下空氣的比重為每升0。海平面的平均氣壓約34。大氣的密度和氣壓都隨高度的增加按指數律下降其總質量的5集中在從地面到’63的高度之內5在.63高度以下在63高度以上大氣極其稀薄逐漸向行星際空間過渡。不同高度的溫度變化卻難以用某種形式的單一函數來表示。
人們為了有一個直觀的感覺常采用兩種方法對整個大氣層進行分層研究一是按熱力性質分層即根據整個大氣層中溫度隨高度分布的特性把大氣層從地面向上分成對流層、平流層、中層、熱層和外逸層二是按電磁特性分層把整個大氣層分成中性層、電離層和磁層。
對流層是整個大氣圈的最下部一層其底面與地面相接在赤道地區由于接收到的太陽輻射量大熱對流強烈對流層較厚約’763而在極地只有763左右中緯度地區則因大氣條件而異在高壓區內為63低壓區內則可能低于63而且夏季厚冬季薄。對天文觀測有影響的大氣因素也多在這一層因為從中緯度區的平均89:9天文研究與技術國家天文臺臺刊-ABCCDEF-GBHH-BFIJAHFICGCKL第卷第.期年月收稿日期修訂日期作者簡介張捍衛男教授研究方向天文地球動力學萬方數據高度到赤道區的高度以下的大氣層占大氣總量的’’。太陽的輻射直接對地面加熱再通過傳導、輻射、對流和湍流等方式傳遞給底層空氣致使對流層內的溫度隨高度的增加而遞減平均每升高降低約’-。
人們根據對流層內溫度、濕度、氣流運動和天氣現象的不同又把它分為下、中、上三層。下層是地面天文觀測工作最關心的一層幾乎所有的地面天文觀測都在這一層大氣中進行即使高山天文臺也是如此一切用于對觀測值作修正的氣象參數記錄也都在這一層中進行。這一層也稱為摩擦層層內的空氣運動明顯地受地面摩擦力的影響其厚度也主要決定于地面的粗糙程度地面越粗糙大氣的不穩定性越強風和湍流特征越復雜其頂面則越高。這一層厚度的變化范圍一般在三四百米到一兩千米之間。
所謂的大氣非球對稱分布也就體現在這一層里因為從地面向上以內的空氣層占整個大氣層的’.而所謂非球對稱的影響即不同方向之間的差異僅達千分之幾。中間層從下層頂開始到高度左右受地面摩擦影響很小其空氣的運動能代表整個對流層的一般趨勢大氣中的云、雨、雷、電等天氣現象都起源于這一層。上層從左右高度向上伸展到對流層頂部層中水汽含量很少人們常把含水汽的濕空氣高度取為。這一層的氣溫經常保持在/-以下。平流層的氣流運動相當平穩以其水平運動為主而得名是從對流層頂至約/高度的大氣層。在這一層內氣溫基本上不受地面影響隨著高度的增加氣溫起初不變或變化很小直至/高度以上氣溫才逐步升高但也不是均勻的到平流層頂溫度達到0//1。這種特征主要是由大氣中臭氧對紫外輻射的吸收形成的。平流層內空氣的對流效應十分微弱從而對天文觀測中所關心大氣寧靜度和反常折射的影響都很小。
中層是從平流層頂到約/高度的大氣層其主要特點是氣溫隨著高度的增加而迅速下降因為這里的臭氧很稀少而氮、氧等氣體所能吸收的波長更短的太陽輻射已大部分被更上一層的大氣吸收以致出現這樣的溫度結構。層頂處年平均溫度約/1高緯度地區在夏季也可能低于在/1是地球大氣圈中溫度最低層所在的層面。由于這里下層的氣溫比上層高空氣有垂直對流運動故中層亦稱為高空對流層或上對流層不過因這一層的空氣總量尚不到整個大氣層的2對流再強烈對天文觀測的影響也很小。熱層因為直接吸收太陽的輻射而獲得能量是地球大氣各層中頂部溫度最高的一層。厚度為從中層頂部向上直到溫度不再隨高度增加而升高、并被稱為熱層頂的高度這一高度是不固定的最高的溫度也有變化在太陽寧靜期其高度約為/夜里的溫度約//1而在太陽活動期高度約達//白天的溫度可達///1。由于這里的大氣密度太小氧分子和部分氮分子在太陽紫外線和宇宙線作用下被分解為原子并處于高度電離狀態所以熱層也稱電離層。熱層之上稱為外逸層這里的空氣非常稀薄就//高度而言空氣的密度僅達海平面空氣密度的億萬分之一以致空氣分子很少相互碰撞。這一層中的空氣分子基本上按拋物線軌跡運動速度較大的、能克服地球引力的分子則逸入行星際空間故稱為外逸層。這兩層的大氣對光學天文觀測幾乎沒有影響但對電磁波延遲的影響卻比較大。0.期張捍衛等關于大氣分布模型萬方數據按照電磁特性劃分的中性層是從地表到左右高度的大氣層即上述的對流層、平流層和中層或僅前兩者主要由中性氣體組成電磁波的中性大氣折射延遲就發生在這一層。
電離層是從亦說到’高度的大氣層大氣中的分子和原子在太陽的紫外輻射、射線和高能粒子的作用下發生電離產生自由電子和正負離子形成在宏觀上仍然是中性的等離子體區域。習慣按電子和離子密度的大小把電離層自下而上分為層高度在約’之間的為層電離度較低白天的電子密度在每立方厘米以下夜間由于電子大量消失使該層幾乎不存在高度在’之間的為-層這一層的高度比較穩定電子密度介于每立方厘米’之間也是白天較高夜間較低高度在約’.之間的為層電子密度在每立方厘米’之間據探測這一層僅白天存在夜間消失第層為更上面的.層電子密度的峰值在高度達到每立方厘米且隨著高度的增加而逐漸降低在高度約降低近一個數量級。這層的高度、厚度和電子密度都隨著一天中的不同時刻、一年中的不同季節和太陽活動情況的不同而變化。
磁層是電離層頂以上的大氣層空氣非常稀薄從約’高度一直向空間延伸到磁層邊緣就是太陽風的動能密度與地磁場的能密度相平衡的曲面亦稱為磁層頂人們常把它作為地球大氣的邊界。
人們為了能直觀地理解大氣隨高度的分布建立了所謂標準大氣模型。它是指沿垂直方向溫度、氣壓和密度按一種假定的規律分布的大氣模式。雖然不是很準確卻能粗略地反映中緯度地區多年的大氣年平均狀況是得到一國政府或國際組織承認的一種法定模式不能經常變動。它可以作為壓力測高表校準、航空器性能計算、飛機和火箭設計、彈道查算表制作等的依據。