大气层

气象学专业术语

大气层（atmosphere），是气象学专业术语，是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体。

释义

大气层又称大气圈，是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体，是地球最外部的气体圈层，包围着海洋和陆地，大气圈没有确切的上界，在离地表2000~16000公里高空仍有稀薄的气体和基本粒子，在地下，土壤和某些岩石中也会有少量气体，它们也可认为是大气圈的一个组成部分，地球大气的主要成分为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04%比例的微量气体，这些混合气体被称为空气。

成分

大气层的成分主要有氮气，占78.1%；氧气占20.9%；氩气占0.93%；还有少量的二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气）和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限。

大气中组分是不稳定的，无论是自然灾害，还是人为影响，会使大气中出现新的物质，或某种成分的含量过多地超出了自然状态下的平均值，或某种成分含量减少，都会影响生物的正常发育和生长，给人类造成危害，这是环境保护工作者应研究的主要对象。

分层特点

地球大气的成分及其分布状况非常复杂,因此造成大气的垂直结构也十分复杂如今一般按照大气温度、成分和电离状况的垂直分布特征对大气进行分层。

按照大气的温度结构

按大气的温度垂直结构分层,也就是按大气中性成分的热力结构分层,主要是依据大气垂直减温率的正负变化,可以把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。

对流层

1、定义

对流层位于大气的最低层，从地球表面开始向高空伸展，直至对流层顶，即平流层的起点为止。平均厚度约为12公里，它的厚度不一，其厚度在地球两极上空为8公里，在赤道上空为17公里，是大气中最稠密的一层，集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽质量。其下界与地面相接，上界高度随地理纬度和季节而变化。它的高度因纬度而不同，在低纬度地区平均高度为17～18公里，在中纬度地区平均为10～12公里，高纬度地区平均为8～9公里，并且夏季高于冬季。

2、特点

（1）温度随高度的增加而降低：这是因为该层不能直接吸收太阳的短波辐射，但能吸收地面反射的长波辐射而从下垫面加热大气。因而靠近地面的空气受热多，远离地面的空气受热少。每升高1公里，气温约下降6.5度。

（2）空气对流：因为岩石圈与水圈的表面被太阳晒热，而热辐射将下层空气烤热，冷热空气发生垂直对流，又由于地面有海陆之分、昼夜之别以及纬度高低之差，因而不同地区温度也有差别，这就形成了空气的水平运动。

（3）温度、湿度等各要素水平分布不均匀：大气与地表接触，水蒸气、尘埃、微生物以及人类活动产生的有毒物质进入空气层，故该层中除气流做垂直和水平运动外，化学过程十分活跃，并伴随气团变冷或变热，水汽形成雨、雪、雹、霜、露、云、雾等一系列天气现象。

平流层

1、定义

距地表约10～50公里处的大气层。位于对流层之上，散逸层之下。平流层亦称同温层，是地球大气层里上热下冷的一层，此层被分成不同的温度层，当中高温层置于顶部，而低温层置于底部。

2、特点

它与位于其下贴近地表的对流层刚好相反，对流层是上冷下热的。在中纬度地区，平流层位于离地表10~50公里的高度，而在极地，此层则始于离地表8公里左右。对流层上面，直到高于海平面50公里这一层，气流主要表现为水平方向运动，对流现象减弱，这一大气层叫做“平流层”，又称“同温层”。这里基本上没有水汽，晴朗无云，很少发生天气变化，适于飞机航行。在20~30公里高处，氧分子在紫外线作用下，形成臭氧层，像一道屏障保护着地球上的生物免受太阳紫外线及高能粒子的袭击。

中间层

1、定义

中间层又称中层。自平流层顶到85公里之间的大气层。

2、特点

该层内因臭氧含量低，同时，能被氮、氧等直接吸收的太阳短波辐射已经大部分被上层大气所吸收，所以温度垂直递减率很大，对流运动强盛。中间层顶附近的温度约为190K；空气分子吸收太阳紫外辐射后可发生电离，习惯上称为电离层的D层；有时在高纬度地区夏季黄昏时有夜光云出现。

热层

1、定义

中间层顶以上的大气层,大致到800km的高度。

2、特点

由于太阳辐射中的强紫外辐射(<0.18um)的光化学分解和电离反应,使得这一层的温度随高度增加而迅速升高。在这一层中稀薄的空气分子或原子被太阳发出的高速带电粒子流激发,并通过与其他粒子碰撞或自身辐射回到基态时发出可见光,即出现极光。

散逸层

1、定义

热层顶以上的外大气层，延伸至距地球表面1000公里处。这里的温度很高，可达数千度；大气已极其稀薄，其密度为海平面处的一亿亿分之一。

2、特点

外大气层也叫磁力层，它是大气层的最外层，是大气层向星际空间过渡的区域，外面没有什么明显的边界。在通常情况下，上部界限在地磁极附近较低，近磁赤道上空在向太阳一侧，约有9~10个地球半径高，换句话说，大约有65000千米高。在这里空气极其稀薄。通常把1000公里之内，即电离层之内作为大气的高度，即大气层厚1000公里。

按照大气的成分结构

均质层

从地面到86~90km高度,包括对流层、平流层、中间层在内,由于湍流扩散作用使大气均匀混合,大气中各种成分所占的比例,除臭氧等可变成分外,在垂直方向和水平方向保持不变,干空气的平均摩尔质量M=28.964kg/(kmol)。这一层大气就称为均质层(homosphere),又叫做湍流层。

非均质层

均质层以上的大气层称为非均质层(heterosphere)。在非均质层里,由于重力分离作用及光化学作用,大气各成分的比例随高度而变化,平均摩尔质量随高度逐渐减小。在 500 km高度处,大气的五种主要中性成分是O、He、N和H、O2;到1000km高度处,就只有He、H和O了。在非均质层的不同高度处,自下往上,数密度最大的气体成分依次为氧原子(180~650 km),氦原子(650~1000 km)及氢原子(1000 km以上)。氧原子浓度的峰值约在100km高度处,其相对浓度则随高度而迅速增加这是因为高空的太阳紫外辐射强,光解作用生成的原子氧多,而气体分子密度小,碰撞频率也小,复合机会少,使原子氧能够成为一个稳定的成分。空气的各种成分随高度的分布还和太阳活动有关。

按照大气的压力结构

气压层

在地面500km以上，分子很稀少，碰撞的几率非常小，分子各自运动，已经很难达到热平衡。因此，只有在500km以下，大气压力服从压高关系，称为气压层。

外大气层

在500km以上，直到2000～3000km的大气，在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子性电离，使质子的含量远超过中性氧原子的含量，某些速度快的分子和离子可以克服地球着力场而逃逸到行星际空间，因此称为外大气层或者逃逸层。

按照大气的电离结构

依据不同高度大气的电磁特性，可分成中性层（60km以下）、电离层和磁层。

地表以上60km到500～1000km的大气层是电离层(ionosphere)0在太阳电磁辐射（主要是短于0·1pm的紫外线、X射线）和微粒辐射（从太阳发出的质子、电子等及宇宙线粒子）的作用下，空气分子和原子（N2，02，0等）开始电离为正离子和自由电子。这些正离子和自由电子一旦产生又倾向于复合，最后建立起平衡，形成电子密度的垂直分布。虽然电子密度只占中性气体的百分之几，但因它是被电离了的，所以在高层大气中引起一些很重要的现象，这些现象包括产生电流和磁场，对无线电波的反射及各种等离子体过程。

磁层(magnetosphere)起始于500、1000km，其外部边界称为磁层顶。由于电离层以上的电子密度随高度递减，在这个高度上的带电粒子和中性气体粒子之间很少有碰撞机会，相互作用很小，所以带电粒子愈来愈受地球磁场的控制，并沿着地球的磁力线作回旋运动。

作用

大气层对于地球的作用主要体现在以下几个方面：

1、维护水量：大气层可以维护水圈的循环。地球上一切生物物种都必需要依托水才干良性生活，大气层浸透着地球每天阳光蒸发的气态水，并能以下雨或下雪和早上大雾的方式回归到地球上，能确保地球水圈的循环，能完成生物圈及时补充水份，有利于生物圈的良性生活。确保液态水体(陆地)的波动性。在大气层围封作用下，能坚持着地球地表液态水体的波动性，确保陆地、江河、湖泊等液态水体的存量，有利于地球生物圈的良性生活。

2、保护屏障: 对太阳热辐射起盾牌作用。太阳光的紫外线热辐射非常猛烈，大气层能对其起盾牌作用，能将阳光紫外线辐射降低到地球生物圈生活顺应性范围，有利于地球生物圈的良性生长。大气层的成分组成,正好适宜人体的需要,使紫外线的辐射几乎不能到达地面，这种太阳紫外线辐射对生物有很大的危害。同时，大气层使地面避免了会受到那些天上射来的石块的袭击。由于地球周围存在大气层,使外界闯进来的石块受到强烈的摩擦,越来越热,最后引起自燃。在夜晚,我们常常可以看到天空中划过的流星,就是那些正在燃烧的石块。但多数石块在落到地面之前就已经烧光了,变成了气体和尘埃。综上，大气层既能防止了来自太空的石块对地面的袭击，也能减少了对生物和人体有害的紫外线和X射线的到达。

3、温度调节: 地球周围有一层厚度约100千米的大气。这层大气是地球上生物赖以生存的基本条件,给生物和人类提供了时刻都不可缺少的氧气,能使地面上保持适宜的温度。由于太阳辐射在穿过地球周围大气层时,大气要吸收、散射和反射一部分,使得太阳射向地球的总能量受到削弱。因此,到达地球表面的直接太阳辐射强度,是随着大气的物理状态和太阳光线穿过大气路径的长短而发生变动的。大气层通过吸收、散射和反射太阳辐射，使得地表保持适宜的温度。

4、维持氧气: 大气层提供了生物和人类生存所需的氧气，可以维持地表氧气浓度。在大气层围封的作用下，由陆地和动物圈每天分发出来的氧气，不能散出外层空间，维护氧气在地球表层，有助于生物圈供氧生活。

5、阻挡紫外线: 大气层中的臭氧可以很大程度地吸收紫外辐射，臭氧层的存在对阻挡有害的太阳紫外线至关重要。

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