经典网文分享: 图鉴——高层大气和电离层

说到空间科学科普图鉴，有太多太多的图想跟大家分享啦。既然电离层是我的老本行，还是想以一本正经的介绍来开场，配上介绍用的图，和大家分享一些知识。高层大气的中层、热层、电离层是海拔高度相似、密不可分的。大家看惯了艺术的、合成的浩瀚宇宙的图，假如还有闲情，也来关心下美丽地球的周围、我们头顶的天空。

我们头顶的大气层，由氧、氮等成分构成的，越往高处越稀薄，越往高处越冷，我们爬山的时候能体会到这种感觉。其实，随高度上升，大气的温度是这样的：

各种层的名字，这个示意图一应俱全。风雨雷电发生在对流层，飞机飞在平流层（这里还有臭氧层），这些都是我们非常熟悉的。而从这之上，大概60公里左右往上到1000公里左右的庞大空间，包括名为中间层（中层）、热层、电离层的大气圈层，叫做中高层大气。中高层大气底部的中间层当中的高度越高温度越低，接着开始高度越高温度越高的热层，同时这个区域开始有大气分子被太阳辐射电离成电子和离子，就叫电离层，所以电离层和中层/热层是高度相似但是分类原因不同造成的不同叫法。

我们怎么知道天上有电离/电子的呢？1901年12月12日，商人马可尼的公司在英国发射摩尔斯码的"S"，自己则在加拿大的圣约翰市指挥助手们用风筝把无线电接收天线带到约150米高空，并且成功接收到了发来的信号。

地球是圆的，无线电波是直着来的（与波长和障碍物尺度有关），按照比例一画图，人们就发现这信号来的诡异——这能过得来？嗯，所以人们想到，天上有个电子层（电离层），也就是说高层大气当中有许多被太阳辐射电离产生的带电的电子，它们能反射无线电波，就像这样：

知道了天上有电子层（电离层），无线电通信得到巨大发展。长音是"—"，短音是"."，借助密码（比如摩尔斯码），就可以表达意思，让远处的人知道（当然需要翻译了）。下图是马可尼和他的无线电发报机，以及摩尔斯码。

借助电离层反射，电视塔可以互相传递信号，也可以把无线电视信号传递给不太远的电视。

时至今日，由于科技的进一步发展，我们已经较少用电离层反射的无线电通信方式了，无线电视塔也渐渐被有线电视、网络电视和卫星电视取代。然而，无线电波经过电离层的时候，又怎么可能不受到影响？现在这些用到无线电波的工程还必须考虑电离层的效应，特别是——GPS！下图中，颜色越深，就是GPS信号受到电离层影响变得不准的比较严重的地方。这还只是平均的效应，更不要说每天细琐的变化了。即使是"风平浪静"的时间和区域，解算GPS也得把电离层影响减去。

前边的图太闷，我们来看一些漂亮点的。在中间层-热层-电离层这个地方，有许许多多奇异而美妙的现象。例如：

美丽的极光，它是宇宙来的高能粒子进入极区高层大气与大气粒子作用产生的发光现象，大多数极光出现在南北极附近的90-130公里高度处。

红色精灵，也有翻译叫红闪，它是伴随着雷雨所产生的高空大气放电现象，通常发生在雷雨云云层顶向上离地面约30到90公里的高空。红色精灵上半部是红色，底部则渐渐转变为蓝色，宽度约在5到10公里内，可持续约10到100毫秒，如同闪电般转瞬即逝。

蓝色喷流，它的高度还要低，大概是40-50公里高度，对应平流层到中间层。蓝色喷流通常呈细锥形，比红色精灵要亮，其蓝色可能是来自氮气分子的发射光谱。

气辉这种现象的高度就比较高了，大约100-160公里高，是大气某些成分受太阳光照射后在光化学过程中所放射的微弱光辉。由于阳光的散射，这种现象在白天不会被注意到。在宇宙空间的背景下，下图这样的绿色的气辉能看得比较明显。

中间层-热层-电离层，这个高度说起来这么玄乎，看照片也不够惊艳，其实我们对它们比我们想象的还要熟悉。我们天天讲航天航天，这个高度就是我们航天的起点（100公里高度往上就叫太空），我们天天讲的"宇宙"，除了那些遥不可及的星星，凡是我们人类能触及的宇宙，都是从这里开始的，而我们的航天活动多半都在这个高度。