大氣分層檢視原始碼討論檢視歷史
| 大氣分層 | |
|---|---|
大氣分層，(atmospheric subdivision)按照大氣在垂直方向的各種特性，將大氣分成若干 層次。
按大氣溫度隨高度分布的特徵，可把大氣分成對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。
按大氣的光化反應，可分為臭氧層。按大氣運動受地磁場 控制情況，可以分有磁層。
基本信息
中文名 大氣分層 [1]
外文名 atmospheric subdivision
類 型 氣象學名詞 [2] 簡 介 大氣在垂直方向的各種特性
背景介紹
就整個地球來說，愈靠近核心，組成物質的密度就愈大。大氣圈是地球的一部分，若與地球的固體部分相比較，密度要比地球的固體部分小得多，全部大氣圈的重量大約為5000萬億噸，還不到地球總重量的百分之一；以大氣圈的高層和低層相比較，高層的密度比低層要小得多，而且越高越稀薄。假如把海平面上的空氣密度作為1，那麼在240公里的高空，大氣密度只有它的一千萬分之一；到了1600公里的高空就更稀薄了，只有它的一千萬億分之一。整個大氣圈質量的90%都集中在高于海平面16公里以內的空間裡。再往上去當升高到比海平面高出80公里的高度，大氣圈質量的99.999%都集中在這個界限以下，而所剩無幾的大氣卻占據了這個界限以上的極大的空間。
探測結果表明，地球大氣圈的頂部並沒有明顯的分界線，而是逐漸過渡到星際空間的。高層大氣稀薄的程度雖說比人造的真空還要「空」，但是在那裡確實還有氣體的微粒存在，而且比星際空間的物質密度要大得多，然而，它們已不屬於氣體分子了，而是原子及原子再分裂而產生的粒子。以80-100公里的高度為界，在這個界限以下的大氣，儘管有稠密稀薄的不同，但它們的成分大體是一致的，都是以氮和氧分子為主，這就是我們周圍的空氣。而在這個界限以上，到1000公里上下，就變得以氧為主了；再往上到2400公里上下，就以氦為主；再往上，則主要是氫；在3000公里以上，便稀薄得和星際空間的物質密度差不多了。
自地球表面向上，大氣層延伸得很高，可到幾千公里的高空。根據人造衛星探測資料的推算，在2000-3000公里的高空，地球大氣密度便達到每立方厘米一個微觀粒子這一數值，和星際空間的密度非常相近，這樣2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大氣的上界。
大氣分層簡介
地球大氣按其基本特性可分為若干層，且按照不同的特性有着不同的分層方法。常見方法有:
①按熱狀態特徵 ，可分為對流層、平流層 、中間層 、熱層和 外層(又稱外逸層或逃逸層)。接近地面、對流運動最顯著的大氣區域為對流層，對流層上界稱對流層頂，在赤道地區高度約17~18千米，在極地約8千米;從對流層頂 至約50千米的大氣層稱平流層，平流層內大氣多作水平運動，對流十分微弱，臭氧層即位於這一區域內;中間層又稱中層，是從平流層頂至約80千米的大氣區域;熱層是中間層頂至300~500千米的大氣層;熱層頂以上的大氣層稱外層大氣。
②按大氣成分隨高度分布特徵，可分為均勻層和非均勻層。均勻層是指從地面到約80千米的大氣層，因其大氣各成分所占的體積百分比保持不變。均勻層的平均分子量為28.966克/摩爾，為一常數。非均勻層為80千米以上的大氣區域，不同大氣成分所占的體積百分比隨高度而變，平均分子量不再是常數。
③按大氣的電離特徵，可分為電離層和中性層。中性層又稱非電離層 ，是指以中性成分為 主的大氣層。電離層又可分為D 層、E層和F層。
摺疊編輯本段分層介紹 自地球表面向上，隨高度的增加空氣愈來俞稀薄。大氣的上界可延伸到2000~3000公里的高度。在垂直方向上，大氣的物理性質有明顯的差異。根據氣溫的垂直分布、大氣擾動程度、電離現象等特徵，一般將大氣分為五層。
對流層
對流層是大氣的最下層。它的高度因緯度和季節而異。就緯度而言，低緯度平均為17~18公里;中緯度平均為10~12公里;高緯度僅8~9公里。就季節而言，對流層上界的高度，夏季大於冬季。對流層的主要特徵；①氣溫隨高度的增加而遞減，平均每升高100米，氣溫降低0.65℃。其原因是太陽輻射首先主要加熱地面，再由地面把熱量傳給大氣，因而愈近地面的空氣受熱愈多，氣溫愈高，遠離地面則氣溫逐漸降低。②空氣有強烈的對流運動。地面性質不同，因而受熱不均。暖的地方空氣受熱膨脹而上升，冷的地方空氣冷縮而下降，從而產生空氣對流運動。對流運動使高層和低層空氣得以交換，促進熱量和水分傳輸，對成雲致雨有重要作用。③天氣的複雜多變。對流層集中了75%大氣質量和90%的水汽，因此伴隨強烈的對流運動，產生水相變化，形成雲、雨、雪等複雜的天氣現象。
平流層
自對流層頂向上55公里高度，為平流層。其主要特徵:①溫度隨高度增加由等溫分布變逆溫分布。平流層的下層隨高度增加氣溫變化很小。大約在20公里以上，氣溫又隨高度增加而顯著升高，出現逆溫層。這是因為20~25公里高度處，臭氧含量最多。臭氧能吸收大量太陽紫外線，從而使氣溫升高。②垂直氣流顯著減弱。平流層中空氣以水平運動為主，空氣垂直混合明顯減弱，整個平流層比較平穩。③水汽、塵埃含量極少。由於水汽、塵埃含量少，對流層中的天氣現象在這一層很少見。平流層天氣晴朗，大氣透明度好。
中間層
從平流層頂到85公里高度為中間層。其主要特徵:①氣溫隨高度增高而迅速降低，中間層的頂界氣溫降至-83℃~-113℃。因為該層臭氧含量極少，不能大量吸收太陽紫外線，而氮、氧能吸收的短波輻射又大部分被上層大氣所吸收，故氣溫隨高度增加而遞減。②出現強烈地對流運動。這是由於該層大氣上部冷、下部暖，致使空氣產生對流運動。但由於該層空氣稀薄，空氣的對流運動不能與對流層相比。
暖層
從中間層頂到800公里高度為暖層。暖層的特徵:①隨高度的增高，氣溫迅速升高。據探測，在300公里高度上，氣溫可達1000℃以上。這是由於所有波長小於0.175微米的太陽紫外輻射都被該層的大氣物質所吸收，從而使其增溫。②空氣處於高度電離狀態。這一層空氣密度很小，在270公里高度處，空氣密度約為地面空氣密度的百億分之一。由於空氣密度小，在太陽紫外線和宇宙射線的作用下，氧分子和部分氮分子被分解，並處於高度電離狀態，故暖層又稱電離層。電離層具有反射無線電波的能力，對無線電通訊有重要意義。
外層
暖層頂以上，稱外層。它是大氣的最外一層，也是大氣層和星際空間的過渡層，但無明顯的邊界線。這一層，空氣極其稀薄，大氣質點碰撞機會很小。氣溫也隨高度增加而升高。由於氣溫很高，空氣粒子運動速度很快，又因距地球表面遠，受地球引力作用小，故一些高速運動的空氣質點不斷散逸到星際空間，散逸層由此而得名。據宇宙火箭資料證明，在地球大氣層外的空間，還圍繞由電離氣體組成極稀薄的大氣層，稱為"地冕"。它一直伸展到22 000公里高度。由此可見，大氣層與星際空間是逐漸過渡的，並沒有截然的界限。
包圍地球的氣態物質稱為大氣。大氣的存在與人類、生命有機體息息相關，例如，大氣中的氧為人類、生物呼吸所不可缺少;二氧化碳是植物生長所必需的化合物;大氣中的某些成分能吸收和放射長波輻射，使大氣溫度適宜於人類與生物生存。大氣又可阻擋太陽紫外線大量進入地表，對地球上的生命起着保護作用。大氣是自然環境的重要組成部分和最活躍的因素。例如大氣中氧的化學性質非常活躍，在生命有機過程與無機過程中起着重要的作用;大氣在地表物質交換與能量轉化中是一個十分重要的環節。大氣與水及生物彼此相互聯繫、相互制約、相互滲透，共同對地表發生作用，影響着一系列自然地理過程，例如風化、侵蝕、物質轉化與交換、遷移，等等。
大氣的成分
大氣運動在全球水、熱平衡中起着獨特的作用，其水熱狀況對比與分布，對地表自然景觀的形成和地域分異有着深刻的影響。
第一節 大氣的組成與垂直分層
一、大氣的組成
大氣是由多種氣體組成的混合物，其中還含有一些固體雜質和液體。
(一)干潔空氣
大氣中除固體雜質和水汽之外的全部混合氣體，稱為干潔空氣。由表3-1可知，氮和氧容積占99.04%，加上氬，三者合占 99.97%，其他氣體僅占0.03%。干潔空氣中大多數氣體的臨界溫度低於自然情況下大氣中可能出現的最低溫度，CO2的臨界溫度雖然較高，但它所對應的壓力卻大大超過其實際分壓力。因此，干潔空氣中的所有成分都呈氣體狀態。
表3-1 干潔空氣的成分及其性質
氣體種類和分子式 空氣中的含量(%) 臨界溫度和臨界壓力 沸點溫度(℃)
分子量 (大氣壓) (氣壓為760mm)
按容積 按質量
氮N2 78.09 75.52 28.016 -147.2 33.5 -195.8氧O2 20.95 23.15 32.000 -118.9 49.7 -183.l氬Ar 0.93 1.28 39.944 -122.0 48.0 -185.6二氧化碳CO2 0.03 0.05 44.010 31.0 73.0 -78.2臭氧O3 0.000001 -- 48.000 -5.5 92.3 -111.1干潔空氣 100.00 100.00 28.966 -140.7 37.2 -193.0
干潔空氣中的CO2和O3含量極少，變化較大，但它們對地表自然界和大氣溫度卻有重要的影響。
1.二氧化碳 離地表20km以下，CO2平均含量約為0.03%，向高空顯著減少。CO2主要來自火山噴發、動植物的呼吸以及有機物的燃燒、腐敗等。在人口稠密的工業區，其含量明顯增高，可占空氣體積的0.05-0.07%;在海洋上和人口稀少地區，含量大為減少。CO2能強烈吸收和放射長波輻射，對大氣和地表溫度有明顯的影響，起着"溫室"作用。
2.臭氧 低層大氣中的O3主要來源於閃電。閃電不經常發生，所以低層O3含量極少，而且不穩定。高空的O3是由太陽紫外線作用形成的，所以含量比低層大氣多，並在20-25km的高空達到極大值。O3能強烈地吸收太陽紫外線，對大氣有增溫作用，並在高空形成一個暖區。大量紫外線在高空被吸收，使地面上的生物免受危害。穿透大氣層到達地表的少量紫外線，對人類和大部分生物則是有益的。
(二)水汽
水汽主要來源于海洋、江河湖沼和土壤，以及潮濕物體表面的蒸發和植物的蒸騰。大氣中的水汽含量極不固定，隨時間、地點、條件而不同。其所占容積變化範圍為0-4%。觀測結果表明，在1.5-2km高度，水汽含量只及地面的1/2;在5km高度，只相當於地面的1/10，再往上更少。水汽含量雖然不多，但它在大氣溫度變化範圍內可以發生汽態、液態和固態三相轉化，人們常見的雲、霧、雨、雪等天氣現象，都是水汽相變的表現。此外，水汽還善於吸收和放射長波輻射，顯著影響大氣和地表的溫度。
(三)固體雜質
懸浮在大氣中的固體雜質主要有煙粒、塵埃、鹽粒等，它們的半徑一般為10-2-10-8cm，多集中於低層大氣中。煙粒主要來源於生產、生活方面的燃燒;塵埃主要來自經風的吹揚進入大氣的地表鬆散微粒，以及火山爆發後產生的火山灰、流星燃燒的灰燼;鹽粒則主要是由海洋波浪飛濺進入大氣的水滴被蒸發後形成的，固體雜質的含量陸地上空多于海洋上空，城市多於鄉村，冬季多於夏季，白天多於夜晚，愈近地面愈多。固體雜質是大氣中水汽凝結的必要條件;能吸收部分太陽輻射，又可阻擋地面長波輻射，對大氣和地表溫度有一定影響;其含量多少，還直接影響到大氣能見度的好壞。
(四)大氣污染
由於自然或人為的原因，導致空氣中有害物質的濃度超過一定限度，維持一定的時間，直接或間接地對人類正常生活、動植物正常生長，以及對氣候和各類物品、材料造成危害的現象，稱為大氣污染。除火山爆發、森林火災、海水蒸發、植物花粉傳播等自然原因外，人類活動如工業生產、生活燃燒、各種交通工具排放的煙、粉塵、廢氣等，還有現代化戰爭。都引起大氣污染。常見的有害氣體有二氧化硫、一氧化碳、氟化氫、氮氧化物、氯化氫等。此外，還有各種煙和粉塵以及光化學煙霧等。據統計，全世界每年排放的有害氣體總量高達6×108多噸(表3-2)。
在大氣污染物中，以粉塵煙霧對人體健康危害最大。直徑為0.5-5 微米的粉塵煙霧可直接進入肺組織內部，通過血液傳播全身。據分析，有的煤粉塵微粒表面存在致癌性的芳香族化合物。
大氣污染程度不僅與廢氣排放量有關，而且與氣象狀況有關。如 1952年倫敦發生的大氣嚴重污染事件就是由於受反氣旋控制，上空氣溫逆增、大氣層結穩定，阻礙污染物擴散，有毒氣體濃度加大，煙霧籠罩達四天之久，導致數千人死亡。
表3-2 世界每年排放有害氣體總量
污染物 污染源 排放量(×10t)8
煤粉塵 燒煤設備 1.00
二氧化硫 燒煤、燒油設備 1.46
一氧化碳 汽車、工廠設備在燃燒不完全時 2.20
二氧化氮 汽車、工廠設備在高溫燃燒時 0.53
碳氫化合物 汽車、燃燒設備和化工設備 0.88
碳化氫 化工設備 0.03
氨 工廠廢氣 0.04
環境污染問題已引起世界各國的重視，相繼採取措施加以防治，如對污染源進行監測，改革生產工藝過程，增設除塵和回收設備，調整有污染的工廠布局，控制污染物的排放量等。對新建的城市、工業區、廠房、煙囪等，在規劃設計中必須考慮氣象條件，利用大氣擴散的自行淨化能力，以及進行合理的綠化布局，將大氣污染的危害減少到最低限度。
二、大氣的垂直分層
大氣的下界是地面，上界則說法不一。因為，星際空間存在着星際氣體物質。由於地球引力場的作用，大氣的密度隨高度增加而迅速減小，並逐步過渡到宇宙空間與星際氣體物質相連接。根據大氣層中出現的某些物理現象，可大致確定其物理上界。極光現象可能出現的最大高度是1200 公里，說明這一高度大氣尚有一定密度;在此高度以上不再有極光發生，說明大氣密度小到微不足道的程度。因此，1200公里高度可作為大氣層的物理上界。根據天體物理研究，星際氣體密度約為每立方厘米一個微觀粒子。按人造衛星探測資料推算，地球大氣密度在2000-3000km高空達到這一標準。因此，有人主張以此高度作為大氣上界。
大氣分層
(一)大氣的分層
從地面到高空，大氣的成分、密度、溫度等物理性質都有明顯的變化。世界氣象組織根據氣溫的垂直分布，將大氣分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層(圖3-2)。
1.對流層 其下界是地面，上界因緯度和季節而不同。根據觀測，對流層的平均厚度在低緯度為17-18公里，中緯度10-12公里，高緯度8-9公里。夏季對流層的厚度大於冬季，例如南京夏季對流層厚度可達17公里，冬季只有11公里。
對流層集中了整個大氣質量的3/4和幾乎全部水汽，它具有以下三個基本特徵:
(1)在一般情況下，對流層中氣溫隨高度增加而降低。因為，對流層空氣主要依靠地面長波輻射增熱，愈近地面，空氣受熱愈多，反之愈少。因此，高度愈大，氣溫愈低。平均每升高100米氣溫降低0.6℃。
(2)空氣對流運動顯著。對流層的溫度垂直變化明顯，水平分布不均，愈近地面氣溫愈高，緯度愈高氣溫愈低。這種狀況有利於空氣的垂直對流和水平運動。空氣的對流運動，使高低層空氣得到交換，近地面的熱量、水汽和雜質通過對流向上空輸送，導致一系列的天氣現象的形成。
(3)天氣現象複雜多變。由於空氣有垂直對流與水平運動，水汽和雜質含量均多，隨着氣溫變化，可產生一系列物理過程，形成複雜的天氣現象。因此，對流層與地表自然界和人類關係最為密切。
對流層內部根據溫度、濕度和氣流運動，以及天氣狀況諸方面的差異，通常劃分為三層:①下層:底部和地表接觸，上界大致為1-2 公里，有季節和晝夜等的變化，一般夏季高於冬季，白天高於夜間。下層的特點是水汽、雜質含量最多，氣溫日變化大，氣流運動受地表摩擦作用強烈，空氣的垂直對流、亂流明顯，故下層通常也叫摩擦層或邊界層。②中層:下界為摩擦層頂，上部界限在6公里左右。中層受地面影響很小，空氣運動代表整個對流層的一般趨勢，大氣中發生的雲和降水現象，多數出現在這一層。此層的上部，氣壓只及地面的一半。③上層:範圍從6 公里高度伸展到對流層頂部。這一層的水汽含量極少，氣溫經常保持在0℃以下，雲都由冰晶或過冷水滴所組成。
在對流層和平流層之間，還存在一個厚度數百米至1-2公里的過渡層，稱為對流層頂。其氣溫隨高度增加變化很小，甚至沒有變化，它抑制着對流層內的對流作用進一步發展。
2.平流層 對流層頂以上到50-55公里範圍是平流層。平流層氣溫基本上不受地面影響，故隨着高度的增加，起初不變或變化極小;至30 公里高度以上時，由於臭氧含量多，吸收了大量的紫外線，因此升溫很快，並大致在50公里高空形成一個暖區。到平流層頂，氣溫約升到270-290K。平流層水汽含量極少，因而沒有對流層內出現的那些天氣現象，只在底部偶然出現一些分散的貝雲。本層氣流運動相當平穩，並以水平運動為主，平流層即由此而得名。現代民用航空飛機可在平流層內飛行。
3.中間層 自平流層頂到80-85公里是中間層，主要特點是氣溫隨高度增加而迅速下降，到頂部降至160-190K。這可能與這一高度幾乎沒有O3有關。由於下層氣溫比上層高，故空氣有垂直對流運動，又稱為高空對流層或上對流層。
4.暖層(電離層)自中間層頂到800公里高空屬於暖層。這一層大氣密度很小，在700公里厚的氣層中，只含有大氣總質量的0.5%。本層特點是:氣溫隨高度的增加而迅速升高，到頂部高達1000K，這是因為所有波長小於0.175μm 的太陽紫外輻射都已被暖層氣體所吸收的緣故。由於大氣密度太小，氧分子和部分氮分子在太陽紫外線和宇宙射線作用下被分解為原子，並處於高度電離狀態，所以暖層又稱電離層。如圖3-2所示，電離程度較強的有高度在100-120公里的E層和200-400公里的F層，以及介於中間層和暖層之間的，只在白天出現、高度大致為80公里的D層。電離層能夠反射無線電波，故在遠距離無線電通訊中具有重要意義。當太陽活動強烈時，電離層受到騷擾，並能吸收短波無線電，導致地球上無線電通訊受阻甚至短時間中斷。
5.散逸層(外層)暖層頂之上，因大氣十分稀薄，離地面遠，受地球引力場約束微弱，一些高速運動的空氣質點就能散逸到星際空間，所以本層稱為散逸層。根據宇宙火箭探測資料，地球大氣層之外，還有一層極其稀薄的電離氣體，可伸展到22000公里高度，稱為地冕。這可能就是地球大氣層向宇宙空間的過渡區域。
從大氣與地表自然環境之間關係來說，對流層具有特別重要的意義。