大气层

大气层（atmosphere），地质学专业术语，地球就被这一层很厚的大气层包围着。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。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层，再上面就是星际空间了。

中文名：大气层

外文名：atmosphere

类别：地球构造

厚度：1000千米以上

分层：对流层、平流层、中间层、暖层等

成分：氮气、氧气、氩气等

1、基本含义

对流层在大气层的最低层，紧靠地球表面，其厚度大约为10至20千米。对流层的大气受地球影响较大，云、雾、雨等现象都发生在这一层内，水蒸气也几乎都在这一层内存在，还存在大部分的固体杂质。这一层的气温随高度的增加而降低，大约每升高1000米，温度下降5～6℃；动、植物的生存，人类的绝大部分活动，也在这一层内，因为这一层的空气对流很明显，故称对流层。对流层以上是平流层，大约距地球表面20至50千米。平流层的空气比较稳定，大气是平稳流动的，故称为平流层。在平流层内水蒸气和尘埃很少，并且在30千米以下是同温层，其温度在－55℃左右，温度基本不变，在30千米至50千米内温度随高度增加而略微升高。平流层以上是中间层，大约距地球表面50至85千米，这里的空气已经很稀薄，突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，空气的垂直对流强烈。中间层以上是暖层，大约距地球表面100至800千米，最突出的特征是当太阳光照射时，太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收，因此温度升高，故称暖层。散逸层在暖层之上，为带电粒子所组成。

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，地球大气圈气体的总质量约为5.136×10^21克，相当于地球总质量的百万分之0.86，由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75%的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内，根据大气温度垂直分布和运动特征，在对流层之上还可分为平流层、中气层、增温层等。大气层保护地表避免太阳辐射直接照射，尤其是紫外线；也可以减少一天当中极端温差的出现。

除此之外，还有两个特殊的层，即臭氧层和电离层。臭氧层距地面20至30千米，实际介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子受太阳光的紫外线的光化作用造成的，使氧分子变成了臭氧。电离层很厚，大约距地球表面80千米以上。电离层是高空中的气体，被太阳光的紫外线照射，电离层由带电荷的正离子和负离子及部分*电子形成的。电离层对电磁波影响很大，我们可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点，来实现电磁波的远距离通讯。

大气层

在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气，有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面6400公里左右。据科学家估算，大气质量约6000万亿吨，差不多占地球总质量的百万分之一。大气体积成分：氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，此外还有水汽、尘埃、气溶胶及大粒度悬浮颗粒。由于地磁场的保护作用，使得大气层在太阳风及宇宙高能射线流的刮蚀作用下得以保存。

自然状态下，大气是由混合气体、水汽和杂质组成。除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。干洁空气的主要成分为78.09%的氮，20.94%的氧，0.93%的氩。这三种气体占总量的99.96%，其它各项气体含量计不到0.1%，这些微量气体包括氖、氦、氪、氙等稀有气体。在近地层大气中上述气体的含量几乎可认为是不变化的，称为恒定组分。

在干洁空气中，易变的成分是二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)等，这些气体受地区、季节、气象以及人类生活和生产活动的影响。正常情况下，二氧化碳含量在20km以上明显减少。近地层干洁空气组成如表所示：

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。

2、层次

对流层

对流层（troposphere；convectionzone）。定义1：大气最下层，厚度（8～17公里）随季节和纬度而变化，随高度的增加平均温度递减率为6.5℃/公里，有对流和湍流。天气现象和天气过程主要发生在这一层。应用学科：大气科学（一级学科）；大气（二级学科）。定义2：恒星内部冷热气体不断升降对流的区域。应用学科：天文学（一级学科）；天体物理（二级学科）　地球对流层（troposphere）。

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。

在高纬度的地区，因为地表的摩擦力会影响气流，形成了一个平均厚2公里的行星边界层。这一层的形成主要依靠地形而有所不同，而且亦会被逆流层的分隔而与对流层的其他部份分开。

英语里的对流层一字“Troposphere”的字首，是由希腊语的“Tropos”（意即“旋转”或“混合”）引伸而来。正因对流层是大气层中湍流最多的一层，喷射客机大多会飞越此层顶部（即对流层顶）用以避开影响飞行安全的气流。

在宇宙中恒星也有对流层，太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。

大气中的水汽几乎都集中于此，是展示风云变幻的“大舞台”：刮风、下雨、降雪等天气现象都是发生在对流层内。对流层最显著的特点是有强烈的对流运动。

该层有如下特点：

（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

平流层（stratosphere），又称同温层。定义1：从对流层顶到约50公里高度的大气层。层内温度通常随高度的增加而递增。底部温度随高度变化不大。应用学科：大气科学（一级学科）；大气（二级学科）。定义2：距地表约10～50公里处的大气层。位于对流层之上，逸散层之下。应用学科：生态学（一级学科）；全球生态学（二级学科）；平流层（stratosphere），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。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

中间层（Mesosphere），又称中层。自平流层顶到85公里之间的大气层。

大气层中的人类活动示意图

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。

物质组成：氮气和氧气为主，几乎没有臭氧。该层的60-90公里高度上，有一个只有在白天出现的电离层，叫做D层。

电离层

电离层（Ionosphere）/暖（热）层（Thermosphere）。

电离层是地球大气的一个电离区域。60公里以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。大约距地球表面10~80公里。散逸层在暖层之上，为带电粒子所组成。

该层特点是：

除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的*电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

极光

在电离作用产生*电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附着在中性分子和原子上，会引起*电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起*电子的迁移。在55公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，*电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。

电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的*电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述*电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。

中间层以上，到离地球表面500公里，叫做“热层”。在这两层内，经常会出现许多有趣的天文现象，如极光、流星等。

外层

外层（Exosphere），又名散逸层，热层顶以上是外大气层，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。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。

3、化学演化

地球大气圈的成分和各组分的分压有着极其复杂的演化过程。地球不同于金星和火星。金星的质量近于地球，由于距太阳较近，表面温度高，内部除气所产生的水蒸气不能在表面凝结成水圈,CO2、SO2、H2S、NO、NO2等积累滞留在大气圈内形成稠密的CO2大气圈。火星距太阳较地球远，表面温度低，加之质量较小，气体易于逃逸，火星内部除气过程释出的气体，不能凝结成水体,只能形成极稀薄的CO2大气圈。地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈具有协调的形成和演化过程。地球内部除气作用释出的主要气体为水蒸气、CO2、CO、HCl、CI2、HF、HBr、H2S、S、SO2、N2、H2、H、O2、CH4、NH3和稀有气体等。O2主要来源于水蒸气的光化学分解和绿色植物的光合作用。地球内部物质的熔融除气过程，大约共释放1.74×1018吨挥发性物质,其中CO2约1.22×1015吨。地球初始的大气圈属于具有火山气体成分的强还原性大气圈。通过水蒸气的凝结，原始的海洋水成为强酸性水体。随着海洋水体的增大，大气圈中CO2的积累,太古宙的地球大气圈演化为CO2-火山气体大气圈。随着水圈中碳酸盐的沉积，大气圈中CO2分压降低，演化为元古宙的弱氧化的CO2大气圈。显生宙生物的繁殖，碳酸盐沉积量的增长和植物的出现,CO2大气圈逐步演化为现今的N2-O2大气圈。

在宇宙行星中都有大气层，大型行星比地球的大气层厚，成分有的多，有的少。

人类的活动使地球大气圈中CO2含量明显增加，每年通过煤和石油的燃烧产生的CO2总量为6.2×10^9吨，相当于现今大气圈中CO2含量的1/250。温室效应的增长，臭氧层的破坏，一系列环境生态的恶化，对人类的生存环境提出了严重的挑战。“全球变化──地圈和生物圈十年”计划已成为当代科学研究的焦点，全世界的科学家将为人类生存环境的演化和预测提出科学对策。