电离层(atmosphere)

大气(atmosphere)就是包围着地球的气体外壳，也称为地球大气圈。现在的地球大气已经历了原始大气、次生大气和现代大气3个演化阶段。最早的原始大气形成于46亿年以前，比人类出现的时间约早2个数量级。在漫长的演化过程中，大气的成分和结构已发生了很大变化。地球大气是人类和生物赖以生存的自然环境，在大气中发生的各种物理、化学现象和过程都与人类的生存和发展有着密切的关系。 大气层的演化与全球气候变化

随着地球本身及其大气层的演进，地球质量逐渐增加，大气层逐渐增厚，来自宇宙空间和人类产生的温室气体难以逃逸，致使温室效应增强，这也是全球气候变化的一个重要原因... [查看全部]

大气是由具有不同物理和化学性质的各种气体以及悬浮于其中的不等量固态和液态小颗粒组成的，其组成见下表。

在80～90km以下，大气成分(除臭氧和一些污染气体外)的比例基本不变，可视为单一成分，其平均分子量为28.966。组成大气的所有成分在大气中均呈气体状态，不会发生相变。

讨论大气组成时，人们经常将所有成分按其浓度分为三类：

(1)主要成分：其浓度在1%以上，它们是氮(N2)、氧(O2)和氩(Ar);

(2)微量成分：其浓度在1ppm(10-6)~1%之间，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氦(He)、氖(Ne)、氪(Kr)等惰性大气成分以及水汽;

(3)痕量成分：其浓度在1ppm以下，主要有氢(H2)、臭氧(O3)、氙(Xe)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氨气(NH3)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)等。此外，还有一些人为产生的污染气体，它们的浓度多为ppb量级。

众所周知，氧是一切生命(人类、动物和植物)所不可缺少的，他(它)们都要进行呼吸或在氧化作用中得到热能以维持生命。氧还在有机物的燃烧、腐化及分解过程中起着重要作用;另一方面植物又通过光合作用向大气中放出氧并吸收二氧化碳。

大气中的氮对氧起着冲淡作用，使氧不至于太浓、氧化作用不过于激烈;对植物而言，大量的氮可以通过豆科植物的根瘤菌固定到土壤中(称为固氮)，成为植物体内不可缺少的养料。

氮和氧是大气的主要成分，但是它们对天气现象却影响很少，而二氧化碳、臭氧、甲烷、氮氧化物(N2O、NO2)和硫化物(SO2、H2S)等气体的含量虽然很少，却是重要的气体成分，它们的含量、分布及其变化对气候及人类生活产生较大的影响。

大气性状及其现象(天气和气候)是用基本要素——气温、气压、湿度、风、云况(云状和云量)、能见度、降水情况(降水类型和降水量)、辐射、日照以及各种天气现象等来描述的，这些因子称为气象要素。气象要素随时间和空间而变化，其观测记录是天气预报、气候分析以及与大气科学有关的科学研究的基础资料。

一、气温

表示大气冷热程度的物理量称为大气温度(简称气温)。由热力学可知，气体温度T(绝对温度)是分子平均动能的量度，也是分子运动快慢的量度。气温越高，大气分子不规则运动的平均动能越大，分子不规则运动的速度也越大。

量度温度高低的尺子(即单位)称为温标。常用的温标有以下3种。

1、我国采用的摄氏温标，用℃或C表示。由其表示的温度为摄氏温度，常用符号t表示。摄氏温标以标准气压(1013.25hPa)下纯水的冰点为零点(0℃)，沸点为100℃，其间分为100等分，每1等分即为1℃。

2、国际通用的绝对温标，以K表示。它所表示的温度称为绝对温度，以符号T表示。这是理论研究常用的温标，该温标的零度(称为绝对零度)规定为摄氏-273.16℃。因此，绝对温标与摄氏温标间的转换关系为T=273.16+t≈273+t。

3、欧美国家常用的华氏温标，用℉表示。这种温标将水的沸点定为212℉，水的冰点定为32℉，并将这两点之间分成180等分，每1等分表示1℉。华氏温标与摄氏温标之问的关系为F=9t/5+32。

二、气压

托里拆利实验证明，大气有压力，并且每一物体受到的大气压力等于压在物体上的大气柱重量。气象上的气压是指大气的压强，静止大气中某地的气压是该地单位面积七大气柱的重量。当大气有垂直加速运动时，气压值与单位面积上大气柱的重量之间有一定差异，但一般大气的垂直加速很小，可将其看作静止大气。

目前常用的气压单位有2种。

一种是国际单位Pa(帕斯卡)，1Pa等于1m2面积上受到1N(牛顿)的压力，即1Pa=1N·m-2。为方便起见，气象上常采用百帕(hPa)来表示气压，1hPa=100Pa。

另一种单位足毫米水银柱高度(mmHg)，它来源于测定大气压强的水银柱气压表。气象上规定，温度为0℃，纬度为45℃的海平面气压为1个标准大气压，1(标准)大气压=760mmHg=1013.25hPa。

在过去的气象书籍中，经常用毫巴(mb)作为气压的单位，它与hPa和mmHg的关系是1mb=1hPa=3/4mmHg。

三、大气湿度

大气湿度是表示大气中水汽含量多少的物理量。它是一个重要的气象要素，因为它与大气中的云、雾、降水的形成密切相关。常用的湿度参量有以下几种。

1、水汽压(e)

水汽压是大气中所含水汽的分压力。大气是混合气体，在常温、常压下可近似看作理想气体。根据道尔顿气体定律，可把大气压力看成干大气和水汽压力之和，即p=pd+e，其中pd表示干大气气压，e的单位与气压p一样，也用hPa表示。

2、饱和水汽压(E)

假定在一个封闭容器中，下部盛放了纯液态水，上部为大气，其气压为p，纯水和大气具有相同的温度。设最初容器中的大气是干燥的，则液态水将开始蒸发，有水汽不断进入水面上方的大气中，这时大气的压强就会因水汽的分压力(e)而逐渐升高。然而，当水汽压P增加到某一限度值E时，气态水和液态水就不再增加和减少，水和水汽达到动态平衡，蒸发停止。

这种平衡称为相态平衡，达到相态平衡时大气中所含的水汽称为饱和水汽，其水汽压E称为饱和水汽压。当容器中的水温增加时，上方大气水汽压能容纳的水汽也增加，即饱和水汽压E随之增加。也就是说，饱和水汽压E表示在一定温度下大气中水汽的最大容量，其值随温度的升高而增大。

四、风

天气预报和日常生活中所说的风是指大气相对于地面的水平运动(实际上，大气相对于地面的运动是三维的，除水平运动外，还有垂直运动，将在后续有关章节中介绍)。它是一个水平矢量，有风向与风速之分。

风向是指风的来向，一般用16个方位或方位角(度数)来表示(下图)。以度数表示时，由北起按顺时针方向量度，如北风为0°，东风为90°，南风为180°，西风为270°。

风速是指单位时间内大气相对于地面移动的水平距离，其单位常用m·s-1或km·h-1表示，也有用涅(mile·h-1)表示的。三者的关系是1m·s-1=3.6km·h-1，1mile·h-1=1.85km·h-1。风速大小也可用风力等级表示。1805年，英国海军将领蒲福根据风对地面(或海面)物体的影响，提出风力等级表，几经修改后得到下表。

观测表明，地球大气在垂直方向上的物理性质(温度、成分、电荷、气压等)有显著差异，根据这些性质随高度的变化特征可将大气进行不同类型的分层。

气温随高度的变化非常明显，但并非单一的降低或增高。按其垂直分布的具体特征，通常将大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层等5层。

一、对流层

对流层是地球大气的最底层，其下边界为地面或海面。地界(高度)随纬度、季节等因素而变，在低纬地区平均为17~18km，中纬地区平均为10～12km，极地平均为8~9km。就季节变化而言，夏季对流层高度大于冬季。对流层的名称首先由法国的德·波尔特于1908年提出，其意思是说这里是大气对流的地方，大气得以充分混合。

概括起来，对流层有以下4个主要特点：

1、气温随高度的增加而降低，其降低的数值随地区、时间和所在高度等因素而变。平均而言，每上升100m约降低0.65℃，这个气温降低速率称为(环境)气温递减率，通常以γ表示，平均值γ=0.65℃·(100m)-1。当然，有时在某地区会出现气温不随高度而变，甚至随高度增加而升高(称为逆温)的情况。对流层顶的温度在低纬地区平均约为190K，高纬地区约为220K。

2、大气密度和水汽随高度的增加而迅速递减，对流层几乎集中了整个大气质量的3/4和水汽的90%。

3、有强烈的垂直运动。包括有规则的垂直对流运动和无规则的湍流运动，它们使大气中的动量、水汽、热量以及气溶胶等得以混合与交换。

4、气象要素的水平分布不均匀。由于对流层大气受地表的影响最大，因此，海陆分布、地形起伏等差异使对流层中的温度、湿度等气象要素的水平分布不均匀。

以上4个特点为云和降水的形成以及天气系统的发生、发展提供了有利条件，因此，大气中所有重要的天气现象和过程几乎都发生在这一层。因此对流层成为气象科学的主要研究对象。对流层在国外还常称它为“天气层”。

二、平流层

自对流层顶向上至55km左右这一范围称为平流层。其主要特点如下。

1、最初20km以下，气温基本均匀(即随高度基本不变);从90km到55km大气温度很快上升，至平流层顶可达270~290K，这主要是由于臭氧吸收太阳辐射所致。臭氧层位于10～50km，在15～30km臭氧浓度最高，30km以上臭氧浓度虽然逐渐减少，但这里的紫外辐射很强烈，故温度随高度的增加能迅速增高。

2、平流层内大气气流平稳、对流微弱，而且水汽极少，因此大多数为晴朗的天空，能见度很好。有时对流层中发展旺盛的积雨云顶部(卷云)也可伸展到平流层下部，在高纬地区有时日出前、日落后，会出现贝母云(也称珍珠云)。

三、中间层

自平流层顶部向上，气温又再次随高度的增加而迅速下降，至离地80～85km处达最低值(160～190K)，这一范围的气层称为中层，或中间层。造成气温随高度的增加而迅速下降的原因，一方面，在这一层中几乎已没有臭氧，另一方面，氮和氧等气体能直接吸收的太阳辐射大部分已被上层大气吸收掉。

在中间层，有相当强烈的垂直对流和湍流混合，故又称为高空对流层，然而，由于水汽极少，只是在高纬地区的黄昏时刻，在该层顶部附近，有时会看到银白色的夜光云。

四、热层

中间层顶(85km)以上是热层，这一层没有明显的上界，而且与太阳活动情况有关，其高度约在200～500km。在这一层，由于氧原子和氮原子吸收大量的太阳短波辐射，而使气温再次升高，可达1000~2000K。

在100km以上，大气热量的传输主要靠热传导，而非对流和湍流运动。由于热层内大气稀薄，分子稀少，传导率小，因此该层的气温能很快上升到几百度。然而，由于大气稀薄，分子间的碰撞机会极少，温度只有动力学意义(温度是分子、原子等运动速度的量度)。如果宇航员能从宇航仓内伸出手来，他也不会感觉到“热”，因为热量还与分子的多少有关。

热层的温度有很显著的日变化，下午的温度可比早晨温度高300K，甚至更多。

五、散逸层

热层顶以上是散逸层，它是大气的最高层。在这层中气温很高，但随高度的增加很少变化。由于气温高，粒子运动速度很大，而且这里的地心引力很小，因此，一些高速运动的大气质粒可能散逸到星际空间，这就是“散逸层”名称的由来。

根据卫星观测，可以推赞：出不同高度上的大气密度，从而估计外逸层的高度。观测表明，外逸层的高度可以从2000~3000km向外伸展到很远，并逐渐与行星空间融合。

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