大气垂直结构及其特征

大气是人类和其他生物赖以生存的基本条件之一。在自然地理学上，把由于地心引力而随地球旋转的大气层称为大气圈，其厚度大约为10000km。离地面越远，空气越稀薄，到地表上空1400km以外的区域已非常稀薄；从污染气象学研究的角度来讲，大气圈是指地球表面到1000～1400km的范围，大气圈的总质量约为6×1015t，仅为地球总质量的百万分之一。按照国际标准化组织（ISO）对大气和空气的定义：大气（Atmosphere）是指环绕地球的全部空气的总和；环境空气（Ambient Air）是指人类、植物、动物和建筑物暴露于其中的室外空气。

大气层位于地球的最外层，介于地表和外层空间之间，它受宇宙因素（主要是太阳）作用和地表过程影响，形成了特有的垂直结构和特性。根据大气层垂直方向上温度和垂直运动的特征，一般把大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层五个层次。

图3.1　大气垂直方向的分层

（一）对流层

对流层是深厚大气的最底层，厚度只有十几千米，是各层中最薄的一层。但是，它集中了大气质量的3/4和几乎整个大气中的水汽和杂质。同时，对流层受地表种种过程影响，其物理特性和水平结构的变化都比其他层次复杂。

对流层的温度随高度升高而递减。平均每上升100m气温下降0.65℃，这称为气温直减率。按这样递减率，到对流层顶部气温减至-53℃（极地）和-83℃（赤道）。气温随高度递减主要是因为对流层大气的热能来源除直接吸收小部分太阳辐射外，绝大部分来自地面。因而愈近地表就愈近热源，大气获得的热量就多，气温就愈高；相反，愈远离地表，气温就愈低。自然界中高空中云滴多为冰晶组成，而低空云滴多液态水滴。这种现象就是气温随高度递减的生动例证。对流层大气有强烈的对流运动，对流层由此得名。造成这层大气对流的原因，有地表（主要海、陆）受热不均引起的热力对流、地表起伏不平引起的动力湍流以及冷暖空气交汇引起的强迫升降等。这些对流运动在大气温度垂直递减的形势下得到加强和发展。对流运动的强度和伸展的高度随纬度、季节而变化，平均来说，对流层的高度在低纬地区为17～18km，中纬度地区为10～12km，高纬地区仅有8～9km。一般是夏季高、冬季低。

对流层中云、雨、雷、电等天气现象非常活跃。这一方面是由于空气的对流运动把地表的水汽、杂质能经常向高空输送，另一方面是高空的低温利于水汽的凝结和云滴成长为雨滴。

（二）平流层(www.xing528.com)

平流层是自对流层顶到55km高度间的气层。气温的垂直分布除下层随高度变化不大外，自25km向上明显递增，到平流层顶达到-3℃左右。温度递增的主要原因是平流层的热能主要来源于对太阳辐射（主要是紫外辐射）的吸收，特别是臭氧的吸收。虽然臭氧的浓度自25km向上有所减小，但紫外辐射的强度随高度逐渐增强，而且空气密度随高度升高迅速减小，这就导致高层吸收的有限辐射能可以产生较大的温度增量。

平流层大气由于温度垂直分布是递增的，不利于气流的对流运动发展，因而气流运动以平流为主。夏季盛行以极地高压为中心的东风环流，冬季中高纬度则是以极涡为中心的西风环流。晚冬或早春环流调整时，高纬度往往出现下沉气流并造成爆发性增温。平流层中水汽、杂质极少，出现在对流层中的云、雨现象，在这里近于绝迹。有时在中、高纬度晨昏时的高空（22～27km）能见到绚丽多彩的珠母云（由细小冰晶组成）。平流层没有强烈对流运动，气流平稳、能见度好，是良好的飞行层次。

（三）中间层

自平流层顶到85km间气层称中间层。这一层已经没有臭氧，而且紫外辐射中小于0.175μm的波段由于上层吸收已大为减弱，以致吸收的辐射能明显减小，并随高度递减，因而这层的气温随高度升高迅速下降，到顶部降到-83℃以下，几乎成为整个大气层中的最低温。这种温度垂直分布有利于垂直运动发展，因而垂直运动明显，又称“上对流层”或“高空对流层”。在中间层顶附近（80～85km）的高纬地区黄昏时，有时观察到夜光云，其状如卷云、银白色、微发青，十分明亮，可能是水汽凝结物。

（四）热层

中间层顶到800km高度间气层称为热层。这是一个比较深厚层次，但是空气密度甚小，其质量只占整个大气层质量的0.5%。在270km高度上空气密度仅是地面空气密度的百亿分之一，再往上就更稀薄了。热层气温随高度迅速升高。据测定，在300km高度气温已达1000℃以上。热层高温的形成和维持主要是吸收了太阳外层（色球和日冕层）发射的辐射的结果。虽然这些辐射只占太阳总辐射中的很小比数，但被质量极小的气层吸收，实际上相当于单位质量大气吸收了非常巨大的能量，产生高温。因而，被称为热层。热层中的N2、O2等气体成分在强烈太阳紫外辐射（主要是波长短于0.1um波段）和宇宙射线作用下，处于高度电离状态，因而又称电离层。热层中不同高度电离程度不均匀。在100～200km间的E层和200～400km间的F层电离程度最强，而位于60～90km高度的D层电离程度较弱。电离层的结构和强度随太阳活动的变化有强烈的脉动。电离层具有吸收和反射无线电波的能力，能使无线电波在地面和电离层间经过多次反射，传播到远方。

（五）散逸层

散逸层是指800km高度以上的大气层。这一层的气温随高度增高而升高。高温使这层上部的大气质点运动加快，而地球引力却大大减少，因而大气质点中某些高速运动分子不断脱离地球引力场而进入星际空间。这一层也可称为大气层向星际空间的过渡层。散逸层的上界也就是大气层的上界。上界到底有多高？还没有公认确切的定论。以前研究者把极光出现的最大高度作为大气层上界。因为极光是太阳辐射产生的带电离子流与稀薄空气相撞，原子受激发产生的发光现象。极光出现过的最大高度大约在1200km，因而大气上界应该不低于1200km。据现代卫星探测资料分析，大气上界大体为2000～3000km。