科学网—天外来客引起大气化学变化极光颜色的密度效应
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2026-6-27 10:31
| 系统分类: 科研笔记
天外来客引起大气化学变化极光颜色的密度效应
张武昌 2026 年 6 月 27 日星期六
地球大气在重力的作用下，下层大气的密度大，高层大气的密度小。 密度大的时候，分子之间的碰撞较多，反之亦然。密度不同导致的分子之间碰撞几率的差异，进一步引起大气性质的不同，称为密度效应。密度效应可以表现在不同的方面，在空气动力学方面， 100 千米以上的大气密度太低，不能产生航空升力，这个高度以发现人名字命名为卡门线。
（一）大气各组分的重力分层
大气是多种气体的混合物，这些成分以分子、原子和离子的形式混合存在，其间还夹杂着自由电子。这些气体的分子量不同， CO₂ = 44 （最重）， Ar=39.948, O₂ = 32 ， N₂ = 28 ， O （氧原子） = 16 ， He 氦 = 4 ， H 氢 = 1 （最轻）。 因此存着在重力分层。
大气密度同样影响着重力分层的作用：大气密度大时，具有天气现象发生对流和湍流混合，分子碰撞多，各种分子混合均匀，会减弱重力分层的作用，反之则重力分层占主导，导致各层大气组分不同。
如上图所示，在 100 千米（卡门线）以下，随高度的增加， O2 、 N2 、 Ar 、 He 的密度几乎平行减少，说明混合均匀，动力分层作用不占主导，各种气体的体积百分比保持不变，各层的平均分子量为一常数 28.966 克 / 摩尔，称为 均匀层 。
但是，在 100 千米以上，重力的分层作用开始显现，各个组分的密度随高度上升而减小的速度不一致，分子量大的气体减小的速度快，顺序为 Ar 、 O2 、 N2 、 O ，导致它们在大气中的占比在不同高度发生变化。； H 、 He 因为分子量较小，在高层几乎为均一分布，重力分层不明显，所以这一层称为 非均匀层 。
一种成分在大气中分子数（正比于体积）的比例称为体积 VMR 浓度（ ppm ， concentration, volume mixing ratio ），常简称为浓度，指每特定数目（如每百个，每百万个）大气分子里某种气体的分子数量。在均匀层，各个组分的浓度变化很小， 正常地表大气中的各成分的（体积比）浓度为：氮气 78.08% 、氧气 20.95% 、氩气 0.93% 、二氧化碳 0.03% ，其余为氦（ He ）、氖（ Ne ）、氪（ Kr ）、氙（ Xe ）等惰性气体及臭氧（ 0.025ppm ）、氧化氮（ 0.002ppm ）、二氧化氮（ 0.004ppm ）。
在非均匀层，各个组分的浓度因为重力分层而发生变化。其中， 二氧化碳因为分子量最大而引人关注。 CO2 即使在均匀层也有明显的重力分层现象：地面 400 ppm 左右，在 100 km 高度约为 300 多 ppm ， 150km 为 50-120 ppm ，在 300–400km 高度的电离层只剩 5–20 ppm ， 500 km 以上低于 5 ppm ，几乎可以忽略。
即使在 0-80 千米之间 CO2 也有轻微的重力分层，在 0-2000 米之间， CO2 浓度随高度上升而减少的速度明显较大，这与地表是 CO2 的释放来源有关。
二氧化碳的重力分层显著从多年来各个高度 CO2 浓度变化的程度也能看出来，地面二氧化碳由于人为排放而增加，地表大气二氧化碳浓度增加最为显著，而 100 千米高度的变化不显著。
Yue, J., Russell, J., III., Jian, Y., Rezac, L., Garcia, R., López‐Puertas, M., & Mlynczak, M. G. (2015). Increasing carbon dioxide concentration in the upper atmosphere observed by SABER. Geophysical Research Letters, 42(17), 7194–7199. https://doi.org/10.1002/2015GL064696
（二）天外来客及其与大气各组分的化学反应机制
大气层无时无刻不在受到天外来客的轰击，包括陨石、高能粒子和电磁波（其中人眼可见的部分叫光），它们为大气层带来的物质和能量在不同密度的大气中引起的化学和物理变化不同，称为密度效应。
微陨石多为微米 / 亚毫米星际尘埃，质量极低，热层（ 85 km 以上）空气极度稀薄，高速微陨石（ 11–72 km/s ）几乎无碰撞、无法产生高温，只会快速穿过。微陨石几乎无加热、不会烧毁。降到 85 km 以下，大气分子数量显著上升，高速飞行挤压前方空气产生数千度高温（不是单纯摩擦，是 空气绝热压缩 放热），微米级微陨石瞬间熔化、完全蒸发，微陨石和 绝大部分 普通流星 在中间层 50 ～ 85 km 完全汽化烧毁 。发光流星高度集中在 70 ～ 100 km （含中间层顶部 + 热层底部交界 MLT 区）。只有大型陨石碎片才能抵达，平流层（ 12 ～ 50 km ）、对流层。
各种气体被电离的情况
氮气分子的第一电离能为 14.534 eV ，吸收集中在 < 160 nm 的极远紫外，吸收强度很高，但这部分太阳辐射本身能量占比低，且在热层（ 85 km 以上）就被彻底吸收，对中低层大气、地表几乎无影响。
二氧化碳第一电离能约为 13.62 eV ，需要太阳真空紫外 / EUV 高能光子才能发生光电离。
基础电离反应： CO2 +hν→CO2+ +e− 。
二氧化碳分子吸收高能光子，直接剥离一个外层电子，生成二氧化碳分子离子与自由电子。更高能量光子还会发生解离电离，直接打碎分子同时电离：
这类反应能量门槛更高、发生概率更低。地球热层、电离层中二氧化碳受重力分层作用丰度极低， 200–400 km F2 层仅 5–20 ppm ，远少于氧原子、氧分子；且电离生成的 CO2+ 会迅速与氧原子发生电荷交换，转化为主导离子 O+ 。因此二氧化碳电离对地球电离层电子、离子总量贡献微弱。
氧气分子被紫外光的光解离作用分开成两个氧原子（ O₂ → O + O ，拆分子键）需要打开的键能约为 5.12 eV ，对应波长 240 nm 左右紫外光。因此只要光子能量＞ 5.12 eV ，就能直接把氧分子拆开，生成中性氧原子。
氧气分子还可以被打出电子生成氧分子离子，称为光电离（ O₂ → O₂⁺ + e⁻ ），这一过程的 电离阈值约为 12.07 eV ，对应波长 102.7 nm 紫外光。必须能量更高、波长更短的高能光子才能实现。
因此，与氮气和二氧化碳相比，氧分子是最容易解离（成单原子）和电离（成氧离子）的。氧分子直接解离电离（一步生成 O⁺+O+e⁻ ）高达 18.73 eV ，约为上述两个能值相加，难度极大，几乎不直接发生。
宇宙射线 中的中子与氮原子发生核反应形成 14C ： 。
碳的所有同位素都会与氧反应生成二氧化碳分子。碳 14 不断地在衰减（半衰期为 5730 年），但是新的碳 14 也在大气圈外层源源不断地产生，基本上可以 “ 收支平衡 ” ，使得大气圈内地碳 14 总体含量保持不变 13.56dpm/g 。
（三）光化学反应的大气密度效应
光化学反应产生的速度与光子的多少（光密度）和分子的密度有关，光密度和分子密度越大，反应越快。
这些光化学反应产生的单原子、离子和电子，处于不稳定状态，一直寻找机会复合成稳定的分子（或单原子分子），在大气密度高的地方，复合的速度快。
在大气不同高度，光密度和分子密度变化趋势相反，形成拮抗效应，在一定的高度，光密度和分子密度达成最佳组合，光化学产物的浓度最高。
高层大气 这些电离反应导致高层大气中最多的中性 ( 不带电 ) 成分为氧原子 O （图 1 ），氧原子和氧分子会结合成臭氧 （ O + O2 -> O3 ）。因此，生成臭氧需要同时满足两个条件：第一，有足够氧气分子 O2 ，有足够短波紫外线 UV 生成氧原子。
高于 25 km （ 30km 以上），空气越来越稀薄， O2 太少，虽然紫外线极强，碰撞生成臭氧的概率大幅下降，臭氧总量持续减少。 200-400 千米，大气主体没有氧分子，只剩单原子氧 O ，所以这一层臭氧较少。
低于 20 km 的大气中，氧气充足，但是紫外线不足（因为大部分紫外线在上层吸收），光解氧气形成的氧原子少，造不出多少臭氧。
20 ～ 25km 高度之间，氧气充足 + 紫外线强度适中，氧原子和氧分子的浓度适中，臭氧生成速率大于分解速率，臭氧累积最多。所以 臭氧浓度峰值卡在 20–25km 。
氧原子和甲烷的浓度的拮抗效应还产生了高空水蒸气（水分子）的浓度高值。甲烷和氧原子结合可以产生水分子： CH4+O(1D)→ ⋅ CH3+H2O 。
甲烷主要在地面产生，主要来源是有机物被微生物分解的生物化学过程。因此在地表浓度大，在高处浓度低。
甲烷浓度在 25-30 千米以上迅速减少，是因为氧原子和甲烷发生作用形成水。对流层水汽很难向上输送穿过平流层低温屏障（低温脱水区），平流层甲烷氧化生成的水，是平流层、中间层水汽最主要内源。
这些水蒸气正好与微陨石形成的气溶胶凝结核作用形成夜光云（ Noctilucent cloud ），又被称为 极地 中气层云，是指深曙暮期间出现于地球高纬度地区高空的一种发光而透明的 波状云 。它一般都需要有三个条件：低温、水蒸汽和尘埃，这样水蒸汽才能凝结成极小的冰晶。当夜光云从外层空间被看见，就被称为 “ 夜耀云 ”(night-shining clouds) ；从地球上看见，就称为 “ 夜光云 ”(noctilucent clouds) 。它是一种形成于中间层的云，只形成于距离地表 82-102 公里的大气空间边缘部位。夜光云只有在高纬度地区（ 50-65 ）的夏季当太阳在地平线以下 6° ～ 12° 时，即低层大气在地球阴影内，而高层大气的夜光云被日光照射时，才能用肉眼直接观察到。
1950 年代以后人类的核武器试验释放了大量中子，形成了很多 C14 ，大大超出了本底值，导致现在还没有恢复到 1950 的水平。
The atmospheric 14 C signal in carbon dioxide (and therefore recent photosynthate) during the modern era. 14 CO 2 data downloaded from http://cdiac.ornl.gov/ftp/ndp057. Also shown is the 14 C signal with a 10 % contribution from either 10-year-old carbon or 50-year-old carbon
2016 年，科学家测定了 C14 在大气中的垂直分布剖面，最大值约在 20-30 千米高度，低于 20 千米，含量迅速降低。这次测量估算的 C14 的产生速度低于以往的研究。
Kanu, A. M., L. L. Comfort, T. P. Guilderson, P. J. Cameron-Smith, D. J. Bergmann, E. L. Atlas, S. Schauffler, K. A. Boering, Measurements and modeling of contemporary radiocarbon in the stratosphere, Geophys. Res. Lett. 43, 1399-1406, 2016.
电子最大层 F2 层高度
200-400 千米，高能紫外线充足， O₂ 分子几乎全部解离形成单原子氧 O ，氧原子电离生成氧离子 O⁺ ，这一层没有 O₂⁺ 。自由电子全部来自氧原子剥离的外层电子，等离子体满足电荷平衡：电子总密度 ≈O⁺ 离子总密度。
高度越高，分子极少， O+ 和电子的复合反应极慢，夜间依然保留大量电子与 O⁺ ，累积出最高电子密度峰值 hmF2 ，是电离层主峰和短波通信核心反射层。
90-150 千米（ D 层和 E 层电离层），主要是中低能紫外线，而氧浓度较高，氧气的解离需要能量较低，所以此处主要为氧原子，只有少量氧分子电离生成 O₂⁺ 。大气密度高、碰撞频繁，分子离子和电子快速复合，夜间 D/E 层电子几乎消失。
( 四 ) 非均匀层内气体分层
原来的不带电的气体称为中性气体 neutral atmosphere ，新产生的组分有很多带电离子和电子称为离子组分。因为非均匀层是中性大气和离子大气的混合物，与均匀层中几乎为中性大气不同，所以非均匀层又称为电离层 ionosphere （为简化理解，忽略了两者的细节差异）。
600 千米以上的逃逸层，几乎完全由氢、氦、氧等单原子（分子解离成原子）构成，几乎不存在稳定分子；离子为 H⁺ 、 He⁺ （原子电离）为主， O⁺ 占比下降；伴随对应电离产生的自由电子。 最轻的 H 、 He 一路往上飘，直接冲到 600 km 以上逃逸层。
400-600 千米，热层上部，电离层顶部，以 O 、 O⁺ 、电子为主；越靠近逃逸层，轻原子 He 、 H 占比上升，出现少量 He⁺ 、 H⁺ 。
200–400 km 的 F2 电离层（电离层主峰）以氧原子与自由电子为主要组分，分子占比极低；
80–150 km 电离层低层以氮气、氧气分子为主；
（五）密度导致的极光颜色分层
大气光化学反应造成的不同组分的分层决定了极光的颜色分层。从高层到底层，占主导的气体组分为氦原子、氧原子和氮原子。
在 400 千米以上的高空，氦和氢原子最多，但是它们在太空粒子的轰击下不发光（没有查到，需确认）。极光的颜色主要是氧原子贡献的。
在 400 千米以下到 180 千米，氧原子占主导。氧原子参与极光过程的电子能级有两个，氧原子的电子吸收较少的能量可以到达 1D 能级，这种状态不稳定，需要释放能量（光子）回到稳定状态，但是从进入 1D 能级到返回 3P 能级需要等待两分钟（弛豫时间）。如果在两分钟内，原子与其他原子碰撞，能量就以动能的形式传递给其他原子或分子，这个原子就不用发光来释放暴躁的心情了。但是如果大气比较稀薄，这个原子的 ¹D 状态存活超过了两分钟，忍无可忍的他就释放红光，所以红光都出现在空气稀薄的高空。
在更高能宇宙线的作用下，氧原子激发到 1S 能级，这时的弛豫时间为约 1 秒，所以他只要在 1 秒内没有碰到其他原子就可以进入 1D 发出绿光，这个高度的 1D 就没有机会发出红光了。
180 千米以下，氮分子占主导。电离的氮分子（ N₂⁺ ，缺少一个电子，带正电荷）可以发出蓝色和红色的光，它们可以在低空产生洋红色调。
我们看到的极光大多数条件下是绿色，在太阳活动剧烈时，向地球发出更多的高能粒子，会激发出更强的极光，那些平时较弱的上升红色和下层蓝色甚至混合后的各种颜色才可见。此时，在低纬度的人们由于地球弧度的关系会在两极方向看到红色的极光（最高层）。
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