圖鑑——高層大氣和電離層

說到空間科學科普圖鑑，有太多太多的圖想跟大家分享啦。既然電離層是我的老本行，還是想以一本正經的介紹來開場，配上介紹用的圖，和大家分享一些知識。高層大氣的中層、熱層、電離層是海拔高度相似、密不可分的。大家看慣了藝術的、合成的浩瀚宇宙的圖，假如還有閑情，也來關心下美麗地球的周圍、我們頭頂的天空。

我們頭頂的大氣層，由氧、氮等成分構成的，越往高處越稀薄，越往高處越冷，我們爬山的時候能體會到這種感覺。其實，隨高度上升，大氣的溫度是這樣的：

各種層的名字，這個示意圖一應俱全。風雨雷電發生在對流層，飛機飛在平流層（這裡還有臭氧層），這些都是我們非常熟悉的。而從這之上，大概60公里左右往上到1000公里左右的龐大空間，包括名為中間層（中層）、熱層、電離層的大氣圈層，叫做中高層大氣。中高層大氣底部的中間層當中的高度越高溫度越低，接著開始高度越高溫度越高的熱層，同時這個區域開始有大氣分子被太陽輻射電離成電子和離子，就叫電離層，所以電離層和中層/熱層是高度相似但是分類原因不同造成的不同叫法。

我們怎麼知道天上有電離/電子的呢？1901年12月12日，商人馬可尼的公司在英國發射摩爾斯碼的「S」，自己則在加拿大的聖約翰市指揮助手們用風箏把無線電接收天線帶到約150米高空，並且成功接收到了發來的信號。

地球是圓的，無線電波是直著來的（與波長和障礙物尺度有關），按照比例一畫圖，人們就發現這信號來的詭異——這能過得來？嗯，所以人們想到，天上有個電子層（電離層），也就是說高層大氣當中有許多被太陽輻射電離產生的帶電的電子，它們能反射無線電波，就像這樣：

知道了天上有電子層（電離層），無線電通信得到巨大發展。長音是「—」，短音是「.」，藉助密碼（比如摩爾斯碼），就可以表達意思，讓遠處的人知道（當然需要翻譯了）。下圖是馬可尼和他的無線電發報機，以及摩爾斯碼。

藉助電離層反射，電視塔可以互相傳遞信號，也可以把無線電視信號傳遞給不太遠的電視。

時至今日，由於科技的進一步發展，我們已經較少用電離層反射的無線電通信方式了，無線電視塔也漸漸被有線電視、網路電視和衛星電視取代。然而，無線電波經過電離層的時候，又怎麼可能不受到影響？現在這些用到無線電波的工程還必須考慮電離層的效應，特別是——GPS！下圖中，顏色越深，就是GPS信號受到電離層影響變得不準的比較嚴重的地方。這還只是平均的效應，更不要說每天細瑣的變化了。即使是「風平浪靜」的時間和區域，解算GPS也得把電離層影響減去。

前邊的圖太悶，我們來看一些漂亮點的。在中間層-熱層-電離層這個地方，有許許多多奇異而美妙的現象。例如：

美麗的極光，它是宇宙來的高能粒子進入極區高層大氣與大氣粒子作用產生的發光現象，大多數極光出現在南北極附近的90-130公里高度處。

紅色精靈，也有翻譯叫紅閃，它是伴隨著雷雨所產生的高空大氣放電現象，通常發生在雷雨云云層頂向上離地面約30到90公里的高空。紅色精靈上半部是紅色，底部則漸漸轉變為藍色，寬度約在5到10公里內，可持續約10到100毫秒，如同閃電般轉瞬即逝。

藍色噴流，它的高度還要低，大概是40-50公里高度，對應平流層到中間層。藍色噴流通常呈細錐形，比紅色精靈要亮，其藍色可能是來自氮氣分子的發射光譜。

氣輝這種現象的高度就比較高了，大約100-160公里高，是大氣某些成分受太陽光照射後在光化學過程中所放射的微弱光輝。由於陽光的散射，這種現象在白天不會被注意到。在宇宙空間的背景下，下圖這樣的綠色的氣輝能看得比較明顯。

中間層-熱層-電離層，這個高度說起來這麼玄乎，看照片也不夠驚艷，其實我們對它們比我們想像的還要熟悉。我們天天講航天航天，這個高度就是我們航天的起點（100公里高度往上就叫太空），我們天天講的「宇宙」，除了那些遙不可及的星星，凡是我們人類能觸及的宇宙，都是從這裡開始的，而我們的航天活動多半都在這個高度。

例如，這個飛行在約400公里高處的國際空間站，實際上它處於我們今天介紹的電離層高度範圍。

而下邊兩張圖，就是宇航員在國際空間站拍照的紅色精靈和藍色噴流。

作者：王錚

來源：中國科學院國家空間科學中心