什么是标准大气模型
关于大气分布模型张捍卫李彬华杨磊铁琼仙冒蔚中国科学院国家天文台云南天文台云南昆明’昆明理工大学云南昆明’摘要简述了大气垂直分布情况和高空探测方法分析了目前只能采用球对称大气分布模型的原因论证了随观测站、随方位而异的天文大气折射实测模型和折射延迟改正模型已经包含了观测站上空大气实际分布的非球对称特性不必再去寻找或建立随地势而异和随季节而变的大气分布模型避免了大气分布模型选择不当的影响从一个方面为提高天文大气折射改正精度和电磁波大气折射延迟改正精度提供了保证。
关键词大气分布模型非球对称大气折射折射延迟中图分类号’文献标识码-文章编号’’.地球大气的垂直分布地球大气是包围地球的空气总称不仅随着地球的自转而转动相对于地壳也有垂直的和水平的复杂运动。大气的总质量为/0约占地球总质量的百万分之一地球的总质量为’/0地表附近密度最大在标准大气状况下即在地理纬度为.1、海拔高度为零、气温为2、气压等于34的条件下空气的比重为每升0。海平面的平均气压约34。大气的密度和气压都随高度的增加按指数律下降其总质量的5集中在从地面到’63的高度之内5在.63高度以下在63高度以上大气极其稀薄逐渐向行星际空间过渡。不同高度的温度变化却难以用某种形式的单一函数来表示。
人们为了有一个直观的感觉常采用两种方法对整个大气层进行分层研究一是按热力性质分层即根据整个大气层中温度随高度分布的特性把大气层从地面向上分成对流层、平流层、中层、热层和外逸层二是按电磁特性分层把整个大气层分成中性层、电离层和磁层。
对流层是整个大气圈的最下部一层其底面与地面相接在赤道地区由于接收到的太阳辐射量大热对流强烈对流层较厚约’763而在极地只有763左右中纬度地区则因大气条件而异在高压区内为63低压区内则可能低于63而且夏季厚冬季薄。对天文观测有影响的大气因素也多在这一层因为从中纬度区的平均89:9天文研究与技术国家天文台台刊-ABCCDEF-GBHH-BFIJAHFICGCKL第卷第.期年月收稿日期修订日期作者简介张捍卫男教授研究方向天文地球动力学万方数据高度到赤道区的高度以下的大气层占大气总量的’’。太阳的辐射直接对地面加热再通过传导、辐射、对流和湍流等方式传递给底层空气致使对流层内的温度随高度的增加而递减平均每升高降低约’-。
人们根据对流层内温度、湿度、气流运动和天气现象的不同又把它分为下、中、上三层。下层是地面天文观测工作最关心的一层几乎所有的地面天文观测都在这一层大气中进行即使高山天文台也是如此一切用于对观测值作修正的气象参数记录也都在这一层中进行。这一层也称为摩擦层层内的空气运动明显地受地面摩擦力的影响其厚度也主要决定于地面的粗糙程度地面越粗糙大气的不稳定性越强风和湍流特征越复杂其顶面则越高。这一层厚度的变化范围一般在三四百米到一两千米之间。
所谓的大气非球对称分布也就体现在这一层里因为从地面向上以内的空气层占整个大气层的’.而所谓非球对称的影响即不同方向之间的差异仅达千分之几。中间层从下层顶开始到高度左右受地面摩擦影响很小其空气的运动能代表整个对流层的一般趋势大气中的云、雨、雷、电等天气现象都起源于这一层。上层从左右高度向上伸展到对流层顶部层中水汽含量很少人们常把含水汽的湿空气高度取为。这一层的气温经常保持在/-以下。平流层的气流运动相当平稳以其水平运动为主而得名是从对流层顶至约/高度的大气层。在这一层内气温基本上不受地面影响随着高度的增加气温起初不变或变化很小直至/高度以上气温才逐步升高但也不是均匀的到平流层顶温度达到0//1。这种特征主要是由大气中臭氧对紫外辐射的吸收形成的。平流层内空气的对流效应十分微弱从而对天文观测中所关心大气宁静度和反常折射的影响都很小。
中层是从平流层顶到约/高度的大气层其主要特点是气温随着高度的增加而迅速下降因为这里的臭氧很稀少而氮、氧等气体所能吸收的波长更短的太阳辐射已大部分被更上一层的大气吸收以致出现这样的温度结构。层顶处年平均温度约/1高纬度地区在夏季也可能低于在/1是地球大气圈中温度最低层所在的层面。由于这里下层的气温比上层高空气有垂直对流运动故中层亦称为高空对流层或上对流层不过因这一层的空气总量尚不到整个大气层的2对流再强烈对天文观测的影响也很小。热层因为直接吸收太阳的辐射而获得能量是地球大气各层中顶部温度最高的一层。厚度为从中层顶部向上直到温度不再随高度增加而升高、并被称为热层顶的高度这一高度是不固定的最高的温度也有变化在太阳宁静期其高度约为/夜里的温度约//1而在太阳活动期高度约达//白天的温度可达///1。由于这里的大气密度太小氧分子和部分氮分子在太阳紫外线和宇宙线作用下被分解为原子并处于高度电离状态所以热层也称电离层。热层之上称为外逸层这里的空气非常稀薄就//高度而言空气的密度仅达海平面空气密度的亿万分之一以致空气分子很少相互碰撞。这一层中的空气分子基本上按抛物线轨迹运动速度较大的、能克服地球引力的分子则逸入行星际空间故称为外逸层。这两层的大气对光学天文观测几乎没有影响但对电磁波延迟的影响却比较大。0.期张捍卫等关于大气分布模型万方数据按照电磁特性划分的中性层是从地表到左右高度的大气层即上述的对流层、平流层和中层或仅前两者主要由中性气体组成电磁波的中性大气折射延迟就发生在这一层。
电离层是从亦说到’高度的大气层大气中的分子和原子在太阳的紫外辐射、射线和高能粒子的作用下发生电离产生自由电子和正负离子形成在宏观上仍然是中性的等离子体区域。习惯按电子和离子密度的大小把电离层自下而上分为层高度在约’之间的为层电离度较低白天的电子密度在每立方厘米以下夜间由于电子大量消失使该层几乎不存在高度在’之间的为-层这一层的高度比较稳定电子密度介于每立方厘米’之间也是白天较高夜间较低高度在约’.之间的为层电子密度在每立方厘米’之间据探测这一层仅白天存在夜间消失第层为更上面的.层电子密度的峰值在高度达到每立方厘米且随着高度的增加而逐渐降低在高度约降低近一个数量级。这层的高度、厚度和电子密度都随着一天中的不同时刻、一年中的不同季节和太阳活动情况的不同而变化。
磁层是电离层顶以上的大气层空气非常稀薄从约’高度一直向空间延伸到磁层边缘就是太阳风的动能密度与地磁场的能密度相平衡的曲面亦称为磁层顶人们常把它作为地球大气的边界。
人们为了能直观地理解大气随高度的分布建立了所谓标准大气模型。它是指沿垂直方向温度、气压和密度按一种假定的规律分布的大气模式。虽然不是很准确却能粗略地反映中纬度地区多年的大气年平均状况是得到一国政府或国际组织承认的一种法定模式不能经常变动。它可以作为压力测高表校准、航空器性能计算、飞机和火箭设计、弹道查算表制作等的依据。
