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地球大气层

地球大气层

地球大气层（atmosphere）又称为大气、气圈或大气圈，是指包围在地球表面的气态物质。它是地球最外部的气体圈层，包围着海洋和陆地。

地球之所以拥有大气层是因为重力。大气层的形成与地球的演化过程密切相关，大致经过地球形成阶段、大气圈由还原性气氛变为氧化性气氛和生命形成三个阶段。

大气层的厚度在1000-3000千米之间，其外界没有明确的边界。大气层的总质量约为5.14x1018kg，密度随着高度的增加而减少，绝大部分质量位于很低的高空。在海拔3000千米以内，大约每升高10米，大气压减小100Pa。超过50千米之后，压力的变化十分微弱。大气层的主要成分为干洁空气、水汽和固体杂质，其中干洁空气是大气的主体。

根据大气圈的温度变化情况，可划分为对流层（Troposphere）、平流层（Stratosphere）、中间层（Mesosphere）、热层（Thermosphere），大气圈外即外层。不同层面的分界并不明显，会受不同的经纬度的影响。按大气的化学成分，可划分为均质层和非均质层；按大气被电离的状态，可划分为非电离层和电离层。

地球大气层所含的水、二氧化碳、氧气、臭氧等是生命存在的基本成分，尤其是氧气对于人类的生存最为重要。大气参与地球表面的各种过程，使得地表的物质交换和能量转化得以进行，而且对气象和气候有着重要影响。大气层保护地球生物免遭太阳的有害辐射，并减少地球极端温度，还能阻挡大部分流星体对地球表面的撞击。另外，大气层可以传递声波，有助于地球人类进行语言交流。大气层在气象研究、航空航天和领空主权等领域有着重要应用。

大气层的定义

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2000~16000千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在这个气体包层中，存在着几个不同的同心层。超过这个高度，空气变得过于稀薄，则无法视作气体。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组成部分。

发现历程

由于测量不同高度的大气层，需要人类或者飞行器能达到相应的高度，因此测量不同高度的大气层与人类航空航天器的发展紧密相连。在18世纪，通过爬山，科学家们发现大气的温度会随着高度的上升一直减小，于是就根据高度和温度的关系计算出大气层高度的极限是30千米。1749年，英国科学家威尔逊将小型温度计绑在风筝上，将其放飞到1000多米的高空中进行科学试验，从而第一次测到了低层大气的温度，并取得一些重要的理论数据。1783年，人类发明热气球之后，就有科学家乘坐热气球去实际测量大气的温度，发现直到10千米左右的高空大气的温度都是随着高度的升高而降低；10千米以上的高空，氧气过于稀薄，气温也十分低。在当时缺乏保护措施的情况下，科学家已无法乘坐热气球前往更高的高度。

到20世纪初，探空气球的发明给科学家的科研活动提供了新的可能。1902年，法国和德国的科学家利用探空气球几乎同时发现，在超过10千米的高空后不久，大气的温度并没有一直降低，反而会有上升，这就是平流层的发现。由于20世纪初发明的探空气球不可能达到这么高的高度，因此关于更高气层的研究一直无法进行。1928年，苏联的莫尔恰夫发明了无线电探空仪，随后于1930年在白俄罗斯首次完成对平流层的无线电探空仪观测。20世纪前半期，是近代大气科学发展的一个重要阶段，形成了以皮叶克尼斯、帕尔门等人牵头的气象学的挪威学派，以及以卡尔-古斯塔夫·罗斯贝为首的芝加哥学派，提出了不稳定波动理论、斜压不稳定理论、正压不稳定理论和大气长波的频散理论等。“第二次世界大战”后，科学家们借助基于V2火箭的高空火箭技术，研究平流层以上大气的性质。由此，科学家们发现在中间层，大气层的温度又会随着高度的增加而减小，因此这一层是和平流层不同的大气层。中间层的高度一直持续到80-90千米左右，这个高度仅比V2火箭的最大飞行高度低一点。因此，人类发明航空火箭和人造卫星之后，科学家才有机会探索中间层以上大气的性质。

大气层的形成过程

地球之所以拥有大气层是因为重力。地球大气层的形成与地球的演化过程密切相关，大致经过地球形成阶段、大气圈由还原性气氛变为氧化性气氛和生命形成三个阶段。

地球形成阶段

大约在45亿年前，宇宙星云中的物质在引力的作用下聚集成不同的团块，其中形成一颗熔融的行星地球。它的外面包围着一层原始大气，其成分主要是氢气（H2）、氦气（He），并含有氮气（N2）、水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）等。随着地球逐渐冷却凝固，表面形成了地壳，而被吸附或包藏在地球内部的一些液体和气体则通过火山活动的形式逸出地球表面。逸出的气体主要是氢气、水蒸气和一氧化碳（CO）。由于地壳相对是冷的，气体一到表面就很快冷却，其中大部分水汽凝结成水，形成水圈。一氧化碳和二氧化碳则还原为甲烷（CH4），氮气也部分还原为氨气（NH3）。这个阶段，大气的主要成分是甲烷、氢气，次要成分是水蒸气、氮气、氨等，大气圈处于还原性气氛之中。大约30亿年之后，出现光合作用系统进化，意味着单细胞动物可以利用太阳的能量将二氧化碳和水分子转化为糖和氧气，水的光化学分解使得大气中的氧气含量逐渐增长。

大气圈由还原性气氛变为氧化性气氛

由于大气中的水蒸气持续凝结入海洋，二氧化碳与地壳矿物反应。当氢气分压降到很低时，还原性气体化合物如甲烷、氨开始氧化成二氧化碳、氮气，惰性大的氮气积聚起来。这一阶段，生命有机体开始出现在狭窄的水体或大海边缘。由于没有足够的氧，有机体在映氧的条件下利用二氧化碳供给能量，制造出糖类与蛋白质，同时开始了光合作用产生氧气。由于所产生的氧气继续被地面岩石或水中沉积物俘获，所以这个阶段氧气仍不能积聚，但大气的成分已由还原性转化为氧化性。

大气圈今日面貌的形成

这也是地球演化过程中的生命形成阶段，与平流层中臭氧（O3）层的形成密切相关。由于氧气分子的存在，它能吸收由太阳辐射来的高能量光子，发生臭氧反应。臭氧可以吸收大量的短波太阳辐射而分解，或与原子氧作用，形成氧气。由于这些反应循环往复，致使在平流层高度形成臭氧分子浓度相对较高的臭氧层。在臭氧层形成之前，整个地球表面受到高能量太阳光子的蹈射，生物分子很难形成。

大气层的结构特征

地球大气层的厚度在1000-3000千米之间，从地球表面一直往外延伸到外层空间，其外界没有明确的边界，并不会在到达某个高度后突然进入太空。根据美国国家大气研究中心的数据，大气层的总质量约为5.14x1018kg。大气层的密度是随着高度的增加而不断减少，最后变得非常低，但不会是零。在100千米的高空，大气密度约为地面的200万分之一；在200千米的高空；大气密度只有地面的百亿分之一；超过300千米之后的高空，大气的密度会低于地面密度的千亿分之一。由于大气层的密度随着高度的增加而减小，大气层的质量也不是均匀分布，绝大部分质量都位于很低的高空。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100千米的高度范围内，其中75%的大气又集中在地面至10千米高度的对流层范围内。大气质量越往上越稀薄，随高度上升，气压逐渐降低。在海拔3000千米以内，大约每升高10米，大气压减小100Pa。超过50千米之后，压力的变化十分微弱。

大气层的成分

环绕地球的大气是由多种气体组成的混合物，主要成分为干洁空气、水汽和固体杂质。

干洁空气

大气中除去水汽和固体杂质外的整个混合气体就是干洁空气，是大气的主体，平均约占低层大气体积的99.97%（水汽平均约0.03%，杂质可忽略）。干洁空气的成分中，氮气占大气总量的78%，氧气占大气总量的21%。此外，有1%的大气成分是微量气体，包括二氧化碳、甲烷、氩（Ar）等。

水汽

水汽是呈气态的水。大气中的水汽来源于地面水体和陆地表面的蒸发与植物的蒸腾，其含量因时因地而异，按容积计算其变化范围在0~4%之间，热带多雨地区可达4%，寒冷干燥地区几乎为零。水汽垂直分布主要集中在离地面2~3千米的大气层中，高度愈高，水汽愈少。

固体杂质

悬浮在大气中的固体杂质包括烟粒、尘埃、盐粒等，其半径一般在10-2~10-3 cm。固体杂质集中分布于低层大气中。固体杂质来源于城乡生产、生活方面的燃烧，土壤中的微粒，火山喷发产生的火山灰，流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒等。

大气分层

根据大气圈的温度变化

根据大气圈的温度变化情况，可划分为四层：对流层（Troposphere）、平流层（Stratosphere）、中间层（Mesosphere）、热层（Thermosphere）、逸散层。不同层面的分界并不是很明显，会受不同的经纬度的影响。

对流层是贴近地表的一层，大气质量约3/4集中在这一层。其厚度在不同的纬度有所不同，在赤道附近厚度达16千米，在中纬度是10~20千米，在两极只有8千米左右。这一层大气具有大规模的对流运动，垂直乱流混合剧烈，受地面影响显著。该层大气含有水汽和尘埃，具有隔热作用，可阻止地表热量的散发。影响地球生物的一切气候现象，都发生在对流层。

大气边界层通常指大气底部直接受地球表面影响的气层，其高度约为1～1.5千米。大气边界层的响应时间尺度小于1小时，是地球各个圈层相互作用的关键区域。受地面热力与动力影响，该层大气运动具有明显的湍流性质，并且湍流过程对热量、动量和水汽的垂直输送导致气象要素呈现显著的日变化，因此多尺度大气边界层过程在中尺度气象模式、大气环流模式、天气预报模式、气候预测模式以及大气环境质量预报模式中，都具有十分重要的作用。

平流层处于对流层顶到50~55千米的高度。由于该层大气垂直对流不强，主要是平流运动，因而称为平流层。平流层可分为低层和高层。低层处于11-25千米，气层比较平稳，温度开始变化不大，空气温度可达到-60°C，上层可逐渐升温至0.8°C。高层处于25-50千米，在大约45千米的高度温度为0°C。这种气温反差现象，是因为平流层存在大量的臭氧，会吸收大量的紫外线辐射，温度就会逐渐升高。臭氧层位于15-20千米到55-60千米的高度之间。平流层的顶层通常被称为“近太空”。

从平流层顶至80~85千米为中间层，该层的空气很稀薄，空气的垂直对流强烈，突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，顶部气温可达-83°C。

热层又称为暖层，处于从中间层顶往上进入非均质层，大约距地球表面100~800千米。该层最突出的特征是，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。热层的气温急剧上升，最高可达1100~1650°C。

外层距地表800千米以上，为向宇宙空间的过渡层，其上界为2000~3000 千米。该层又称为散逸层，由带电粒子组成，因而又称为电离层（Ionosphere）。该层越往上，地球引力越小，空气越稀薄。地球资源卫星多处于这一层。

根据大气的化学成分

按大气的化学成分划分大气层，是以距地平线90公里的高度为界限的。在90公里高度以下，大气为均匀的混合状态，组成大气的各种成分相对比例不随高度而变化，这一层大气被称为均质层。在90公里高度以上，组成大气的各种成分的相对比例，随高度的升高而发生变化，比较轻的气体如氧原子、氦原子、氢原子等越来越多，大气就不再是均匀的混合状态，这一层大气被称为非均质层。

根据大气被电离的状态

根据大气被电离的状态，大气层可划分为非电离层和电离层。在海平面以上60公里以内的大气，基本上未被电离，处于中性状态，这一层大气被称为非电离层。在地平线60公里以上至1000公里高度的大气，在太阳紫外线的作用下，大气成分开始电离，形成大量的正、阴离子和自由电子，这一层大气被称为电离层，该层大气对于无线电的传播有着重要的作用。

大气层对地球的影响

保障地球生命存在

地球大气中存在含有水、二氧化碳、氧气、臭氧等使生命存在的基本成分，其中所包含的氧气对于人类的生存最为重要。没有大气就没有生物，如果地球没有大气层，生命形式就不会存在。地球的大气层就是生命，是整个生物系统不可分割的一部分。大气不停地运动，使得地表的物质交换和能量转化得以进行，从而保护地球生物系统的正常生活和繁衍。

影响地球气候

常规天气和气候现象

大气参与地球表面的各种过程，如水循环、化学和物理风化、陆地上和海洋中的光合作用及腐败作用等，各种波动、流动和海洋化学也都与大气活动有关。发生在天空中的风、云、雨、雪、霜、露、闪电、打雷等一切大气的物理现象形成“气象”。地球与大气之间长期的能量交换和质量交换过程形成“气候”，也即气象要素的长期平均状态。

水汽是大气中唯一能发生相变（即汽态、液态、固态的相互转化）的成分，当水进行形态转换时，会产生热量的吸收或释放，影响大气的运动形式，从而产生各种天气和气候现象，水汽在其中起着主导作用。此外，水汽能强烈地吸收地面辐射，也能放射长波辐射，对地表和大气的温度有显著的影响。固体杂质能充当水汽凝结的核心，是大气水汽凝结的必要条件。它能吸收部分太阳辐射，又能削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射，对地面和大气的温度变化产生了一定的影响。此外，大气中的杂质、微粒聚集在一起，直接影响大气的能见度。

温室效应

来自太阳的热量以短波辐射的形式到达地球外空间，然后穿越大气层到达地球表面。地球表面吸收这些短波辐射热量后升温，升温后的地球表面反而向大气释放长波辐射热量，这些长波热量很容易被大气中的温室气体吸收，这样就使得地球表面的大气温度升高，从而产生温室效应。假若没有温室效应，地球上的季节温差和昼夜温差就会很大，地球表面的温度将会处于低寒状态，不适宜人类生存。但是由于人类活动释放大量的温室气体，使得大气中温室气体的浓度急剧升高，造成温室效应不断加剧，全球平均气温逐年升高，导致全球气候变暖，产生一系列全球性气候问题。

其它方面

地球上的人类居住在大气的底层。地球大气层作为一个屏障，过滤了大部分太阳辐射，从而减少地球极端温度。同时，可以阻止有害于地球生物的辐射线进入地球。位于20千米～30千米的臭氧层，可以隔绝100%的UVC、90%的UVB、50%的UVA。而且，大气层可以阻挡大部分流星体对地球表面的撞击。另外，大气层处在不停的运动之中，这层空气可以传递声波，有助于地球人类进行语言交流。

重要事件

NASA观测拍摄大气层

2018年8月26日，美国国家航空航天局（NASA）公布了一张通过戈达德地球观测系统拍摄的卫星图像，它显示了2018年8月23日地球上各种颗粒在大气层中的运动情况。卫星图像较清晰地显示出大量的烟雾飘过北美洲和非洲上空，三个热带气旋在太平洋上运动，以及大量的尘埃云吹过非洲和亚洲的沙漠。

联合国机构发布气候变化公告

2022年11月，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）公开发布了《气候变化2021：公众摘要》。其中表明，2011年至 2020年，地球表面的平均温度比19世纪末的平均温度高1.1℃，并且比过去12.5万年的任何时候都高。全球变暖增温速度显著，比过去两千年来的任何时候都快。由于人类排放，大气中的温室气体含量持续上升，二氧化碳浓度处于200万年来的最高水平，甲烷和一氧化二氮的浓度达到80万年来最高水平。