熱圏

熱圏は、地球の大気圏において中間圏の真上、外気圏の真下にある層です。この大気層内では、紫外線が分子の光電離/光解離を引き起こし、イオンを生成します。したがって、電離層の大部分は熱圏内に存在します。ギリシャ語のθερμός（thermosと発音）は熱を意味し、その名前は海抜約80  km（50 mi）から始まります。 ^{[ 1 ]}これらの高高度では、残存する大気ガスは分子量に応じて層に分かれます（ターボ圏を参照）。熱圏の温度は、高エネルギーの太陽放射の吸収により高度とともに上昇します。温度は太陽活動に大きく依存し、2,000 °C（3,630 °F）以上に上昇することがあります。放射により、この層の大気粒子は帯電し、電波が屈折して地平線の向こう側で受信されるようになります。海抜約600km （375マイル）から始まる外気圏では、大気は宇宙空間へと変化しますが、カルマン線（100km 、62.1マイル）の定義に設定された基準によれば、熱圏の大部分は宇宙空間の一部です。熱圏と外気圏の境界は、熱圏界面として知られています。      

この層の高度に減衰したガスは、2,500 °C (4,530 °F)に達することがあります。高温にもかかわらず、観測者や物体は熱圏で低い温度を体験します。これは、ガスの密度が極めて低いため (実質的には真空状態)、分子が熱を伝導するのに不十分だからです。通常の温度計は、少なくとも夜間は0 °C (32 °F)を大幅に下回る値を示します。これは、熱放射によって失われるエネルギーが、大気ガスとの直接接触によって得られるエネルギーを上回るためです。高度160 キロメートル (99マイル)より上の無音層では、密度が非常に低いため、分子間の相互作用が少なすぎて音の伝達ができません。     

熱圏の力学は、主に日周加熱によって引き起こされる大気潮汐によって支配されている。大気波は、中性ガスと電離層プラズマとの衝突により、この高度より上では消散する。

熱圏は、高度408～410キロメートル（254～255マイル）の熱圏の中央部を地球周回する国際宇宙ステーションと、高度340～450キロメートル（210～280マイル）を周回する天宮宇宙ステーションを除いて、無人である。  

大気圏は、高度約12キロメートル（7.5マイル）（対流圏界面）と高度約85キロメートル（53マイル）（中間圏界面）の2つの最低温度に基づいて区分すると便利です（図1）。熱圏（または上層大気）は高度85キロメートル（ 53マイル）より上の領域であり、対流圏界面と中間圏界面の間の領域は中間大気（成層圏と中間圏）であり、太陽からの紫外線の吸収によって高度約45キロメートル（28マイル）付近で最高温度が発生し、オゾン層が形成されます。    

地球の大気の密度は高度とともにほぼ指数関数的に減少します。地上から1平方センチメートルの柱状領域における大気の総質量は、M = ρ _A H  ≃ 1  kg/cm ^2です（ρ _A = 1.29  kg/m ³は高度 z = 0 m における地上の大気密度、H ≃ 8  km は平均大気スケールハイトです）。この質量の 80 パーセントは対流圏に集中しています。約85 キロメートル (53マイル)より上の熱圏の質量は、総質量のわずか 0.002 パーセントです。したがって、熱圏から下層大気領域への有意なエネルギーフィードバックは期待できません。 

乱流により、約90 キロメートル (56マイル)の乱流界面より下の下層大気領域の空気は、組成が変化しないガスの混合物になります。その平均分子量は 29 g/mol で、分子状酸素 (O ₂ ) と窒素 (N ₂ ) が 2 つの主要な構成要素です。しかし、乱流界面より上では、さまざまな構成要素の拡散分離が顕著であるため、各構成要素は、その分子量に反比例するスケール高さで気圧高度構造に従います。原子状酸素 (O)、ヘリウム (He)、水素 (H) の軽い構成要素が、約200 キロメートル (124マイル)の高度より上で順に優勢になり、地理的位置、時間、太陽活動によって変化します。電離層 F 領域の電子密度の尺度であるN ₂ /O比は、これらの変化によって大きく影響を受けます。 ^{[ 2 ]}これらの変化は、動的プロセス中に主要なガス成分を通して微量構成要素が拡散することによって生じます。   

熱圏には、地球表面から80 ～ 100 キロメートル (50 ～ 62マイル)上空の中間圏の端に位置する厚さ10 キロメートル (6.2マイル)の帯状領域に、かなりの濃度の元素ナトリウムが存在する。ナトリウムの平均濃度は 1 立方センチメートルあたり 40 万原子である。この帯状領域は、飛来する流星から昇華したナトリウムによって定期的に補充される。天文学者は、このナトリウム帯を、地上からの超高精細な観測を行う際の光学補正プロセスの一部として「ガイドスター」を作成するために利用し始めている。^{[ 3 ]}  

高度約150 キロメートル (93マイル)より上の熱圏では、すべての大気波が順次外部波となり、顕著な垂直方向の波構造は見られません。大気波モードは、ma を子午線波数、n を東西波数とする球面関数P _n ^mに退化します(m = 0: 東西平均流、m = 1: 日周潮、m = 2: 半日周潮など)。熱圏は、ローパスフィルタ特性を持つ減衰振動子システムになります。これは、より小規模な波 ( (n,m) の数が多い) とより高い周波数が、より大規模な波とより低い周波数を優先して抑制されることを意味します。非常に静かな磁気圏擾乱と一定の平均外気圏温度 (球全体で平均) を考慮すると、観測された外気圏温度分布の時間的および空間的分布は、球面関数の和で記述できます。^{[ 11 ]} 

（３） ${\displaystyle T(\varphi ,\lambda ,t)=T_{\infty }\{1+\Delta T_{2}^{0}P_{2}^{0}(\varphi )+\Delta T_{1}^{0}P_{1}^{0}(\varphi )\cos[\omega _{a}(t-t_{a})]+\Delta T_{1}^{1}P_{1}^{1}(\varphi )\cos(\tau -\tau _{d})+\cdots \}}$

ここで、φは緯度、λは経度、tは時刻、ωaは₁年の角周波数、ωdは1_太陽日の角周波数、τ = _ωdt + λは現地時間です。t _a = 6月21日は北半球の夏至の日付であり、τd ₌ 15:00は日中の最高気温の現地時間です。

右辺の(3)の最初の項は、外気圏温度のグローバル平均(約1000  K)です。2番目の項[P ₂ ⁰ = 0.5(3 sin ² (φ)−1)]は、低緯度での熱過剰と、それに対応する高緯度での熱不足を表します(図2a)。熱風系が発達し、上層では極に向かう風、下層では極から遠ざかる風が吹きます。係数ΔT ₂ ⁰ ≈ 0.004が小さいのは、磁気圏が静穏な状態でも、オーロラ領域でのジュール加熱によってその熱過剰が相殺されるためです。しかし、擾乱状態では、この項が支配的になり、符号が反転して、今度は熱過剰が極から赤道に運ばれます。第 3 項 (P ₁ ⁰ = sin φ の場合) は、夏半球の熱過剰を表し、夏から冬半球への余剰熱の輸送に関与しています (図 2b)。その相対振幅は ΔT ₁ ⁰ ≃ 0.13 程度です。第 4 項 (P ₁ ¹ (φ) = cos φ の場合) は、支配的な日周波 (潮汐モード (1,−2)) です。これは、昼半球から夜半球への余剰熱の輸送に関与しています (図 2d)。その相対振幅は ΔT ₁ ¹ ≃ 0.15 であり、約 150 K 程度です 。式 (3) には、追加の項 (例えば、半年周期項、半日周期項、および高次項) を追加する必要があります。ただし、それらは重要ではありません。密度、圧力、およびさまざまなガス成分に対応する和を導出できます。^{[ 5 ] [ 12 ]}

太陽のXUV放射とは対照的に、地磁気変動によって地上で示される磁気圏擾乱は、数時間程度の短い周期的な擾乱から数日間続く巨大な嵐まで、予測不可能な衝動的な性質を示します。大規模な磁気圏嵐に対する熱圏の反応は、熱圏嵐と呼ばれます。熱圏への熱流入は高緯度（主にオーロラ領域）で発生するため、熱輸送は式(3)の項P ₂ ⁰で表され、逆になります。また、擾乱の衝動的な形態により、高次の項が生成されますが、これらは減衰時間が短いためすぐに消滅します。これらのモードの合計が、擾乱が低緯度に到達する「伝播時間」、ひいては磁気圏擾乱に対する熱圏の応答時間を決定します。電離層嵐の発生にとって重要なのは、中緯度および高緯度における熱圏嵐中のN ₂ /O比の増加である。 ^{[ 13 ]} _{N 2}の増加は電離層プラズマの損失プロセスを増加させ、その結果、電離層 F 層内の電子密度の減少（負の電離層嵐）を引き起こす。

二酸化炭素濃度の増加が原因の一つとして熱圏の収縮が観測されており、太陽活動極小期にはこの層で最も強い冷却と収縮が起こっている。2008～2009年の最新の収縮は、少なくとも1967年以降で最大のものであった。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

ELVESは、熱圏の下部境界で発生する上層大気雷の一種です。雷雨の上空100km （62マイル）付近に、直径約400km （250マイル）の広がる平らな薄赤い光として現れることが多く、通常1ミリ秒ほど続きます。^{[ 17 ]} ELVESは、1990年10月7日にフランス領ギアナ沖で行われたスペースシャトルミッションで初めて記録されました。^{[ 18 ]}    

ELVESは「電磁パルス源による光と非常に低い周波数の摂動の放出」の頭文字をとった、風変わりな略語です。 ^{[ 19 ]}これは、光が生成されるプロセス、つまり電子衝突による窒素分子の励起（おそらく、地下の雷雨からの放電によって引き起こされた電磁パルスによって電子がエネルギーを与えられた）を指します。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}