热层

1. 我们首先从地球大气层的基本垂直结构开始。地球大气层根据温度随高度的变化，从下到上主要分为对流层、平流层、中间层和热层（再往外是散逸层）。热层是位于中间层顶（约85公里高度）以上、向外延伸至约600-800公里高度的大气层。

2. 热层最显著的特征是其温度分布。与下方的层不同，热层的温度不再随高度增加而降低，而是急剧升高。在热层底部，温度约为-90°C左右，但到了顶部（约500公里处），温度可高达1000°C至2000°C，具体数值受太阳活动影响极大。这里的“高温”概念与我们日常经验不同：因为空气极其稀薄（气压极低），单个气体粒子（主要是氧原子、氮分子、氦原子和氢原子）虽然动能很高（即温度高），但粒子总数太少，无法传递大量热能。一个物体在热层中并不会像在地面那样被“加热”到高温。

3. 热层温度如此之高的能量来源是太阳的短波辐射（主要是远紫外线、X射线）和太阳风粒子。热层中的气体分子和原子（如氧分子、氮分子、氧原子）吸收这些高能辐射，发生光致电离（形成离子和自由电子）和光致解离（分子分裂为原子），并将辐射能转化为粒子的动能，从而表现为温度急剧上升。

4. 由于太阳辐射是主要热源，热层的温度具有强烈的时空变化。它随太阳活动周期（约11年）剧烈波动：在太阳活动高年，温度可比低年高数百摄氏度。同时，它也呈现显著的昼夜变化，白昼侧温度远高于黑夜侧。

5. 热层的另一核心特征是存在电离层（D、E、F层中的F层主要位于热层内）。这里被太阳辐射电离产生的自由电子和离子密度较高，形成了一个等离子体区域。电离层能反射特定频率的无线电波，对远距离无线电通信至关重要。极光现象也发生在热层高度（约100-400公里），是太阳风粒子被地球磁场引导至此，与高层大气原子碰撞激发而产生的光辉。

6. 由于高温和极低的密度，热层中的气体运动主要受分子扩散主导，而非湍流混合。不同质量的成分会按重力分离：较轻的成分（如氢、氦）在上层比例更高。此外，热层是航天器（如国际空间站、航天飞机在轨运行时）运行的主要区域。虽然空气稀薄，但仍存在微量的大气阻力，会导致低轨道航天器轨道衰减，需要定期进行轨道维持。