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| 大氣圈 |
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中文名： 大氣圈 外文名： atmosphere |
大氣層 atmosphere 又叫大氣圈，地球就被這一層很厚的大氣層包圍着。大氣層的成分主要有氮氣，占78．1％；氧氣占20．9％；氬氣占0．93％；還有少量的二氧化碳、稀有氣體（氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣）和水蒸汽。大氣層的空氣密度隨高度而減小，越高空氣越稀薄。大氣層的厚度大約在1000千米以上，但沒有明顯的界限。整個大氣層隨高度不同表現出不同的特點，分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層，再上面就是星際空間了。[1]
概述
大氣圈是地球外圈中最外部的氣體圈層，它包圍着海洋和陸地。大氣圈沒有確切的上界，在2000 ～ 16000 公里高空仍有稀薄的氣體和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也會有少量空氣，它們也可認為是大氣圈的一個組成部分。地球大氣的主要成份為氮、氧、氬、二氧化碳和不到0.04％比例的微量氣體。地球大氣圈氣體的總質量約為5.136×1021克，相當於地球總質量的百萬分之0.86。由於地心引力作用，幾乎全部的氣體集中在離地面100公里的高度範圍內，其中75％的大氣又集中在地面至10公里高度的對流層範圍內。根據大氣分布特徵，在對流層之上還可分為平流層、中間層、熱成層等。
地球內部大量放射性元素的裂變和衰變所釋放出的能量的積聚和迸發、隕星對地表的頻繁撞擊等，導致了地球火山的強烈活動，使地球溫度升高到出現局部熔融，重元素沉入地心，輕物質浮升到地表，逐漸形成地殼（岩石圈）、地幔和地核等層次。與此同時，被禁錮在地球內部的氣體不斷迸發出來，形成原始大氣圈，其主要成分為H2O、CO、CO2、CH4和N2等。當時不含有氧氣，這是一個還原性大氣圈。水氣凝結後在低凹處匯聚成海洋（水圈），地表水呈酸性。上述過程歷時約10億～15億年。顯然，早期地表環境的顯著特徵是缺氧，也沒有臭氧層，太陽輻射中的高能紫外線可直接射到地面上。
對流層在大氣層的最低層，緊靠地球表面，其厚度大約為10至20千米。對流層的大氣受地球影響較大，雲、霧、雨等現象都發生在這一層內，水蒸氣也幾乎都在這一層內存在。這一層的氣溫隨高度的增加而降低，大約每升高1000米，溫度下降5～6℃。動、植物的生存，人類的絕大部分活動，也在這一層內。因為這一層的空氣對流很明顯，故稱對流層。
對流層以上是平流層，大約距地球表面20至50千米。平流層的空氣比較穩定，大氣是平穩流動的，故稱為平流層。在平流層內水蒸氣和塵埃很少，並且在30千米以下是同溫層，其溫度在－55℃左右。
平流層以上是中間層，大約距地球表面50至85千米，這裡的空氣已經很稀薄，突出的特徵是氣溫隨高度增加而迅速降低，空氣的垂直對流強烈。
中間層以上是暖層，大約距地球表面100至800千米。暖層最突出的特徵是當太陽光照射時，太陽光中的紫外線被該層中的氧原子大量吸收，因此溫度升高，故稱暖層。
散逸層在暖層之上，為帶電粒子所組成。 除此之外，還有兩個特殊的層，即臭氧層和電離層。臭氧層距地面20至30千米，實際介於對流層和平流層之間。這一層主要是由於氧分子受太陽光的紫外線的光化作用造成的，使氧分子變成了臭氧。電離層很厚，大約距地球表面80千米以上。電離層是高空中的氣體，被太陽光的紫外線照射，電離成帶電荷的正離子和負離子及部分自由電子形成的。電離層對電磁波影響很大，我們可以利用電磁短波能被電離層反射回地面的特點，來實現電磁波的遠距離通訊。
在地球引力作用下，大量氣體聚集在地球周圍，形成數千公里的大氣層。氣體密度隨離地面高度的增加而變得愈來愈稀薄。探空火箭在3000公里高空仍發現有稀薄大氣，有人認為，大氣層的上界可能延伸到離地面6400公里左右。據科學家估算，大氣質量約6000萬億噸，差不多占地球總質量的百萬分之一，其中包括：氮78%、氧21%、氬0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，此外還有水汽和塵埃等。
主要大氣層
從地面開始依次分為對流層、平流層、中間層、熱層（電離層）和外大氣層。
對流層
接近地球表面的一層大氣層，空氣的移動是以上升氣流和下降氣流為主的對流運動，叫做「對流層」。它的厚度不一，其分布是在中緯度地區的平均厚度為10-12公里，在赤道地區的為16-18公里，兩極地區的為7-10公里。 其厚度在地球兩極上空為8公里，在赤道上空為17公里，是大氣中最稠密的一層。大氣中的水氣幾乎都集中於此，是展示風雲變幻的「大舞台」：颳風、下雨、降雪等天氣現象都是發生在對流層內。
對流層中，氣溫隨高度升高而降低，平均每上升100米，氣溫約降低0.65℃。氣溫隨高度升高而降低是由於對流層大氣的主要熱源是地面長波輻射，離地面越高，受熱越少，氣溫就越低。但在一定條件下，對流層中也會出現氣溫隨高度增加而上升的現象，稱之為「逆溫現象」。由於受地表影響較大，氣象要素（氣溫、濕度等）的水平分布不均勻。空氣有規則的垂直運動和無規則的亂流混合都相當強烈。上下層水氣、塵埃、熱量發生交換混合。由於90％以上的水氣集中在對流層中，所以雲、霧、雨、雪等眾多天氣現象都發生在對流層。
對流層的主要特點是氣溫隨高度升高而降低，離地面愈遠溫度愈低。對流層內空氣具有強烈的垂直和水平對流運動，從而導致了水的三態變化，產生了一系列物理變化過程。風霜雨雪、雲霧冰雹等變化多端的天氣現象，都發生在對流層內。
在對流層內，按氣流和天氣現象分布的特點又可分為下層、中層和上層。
下層
下層又稱擾動層或摩擦層。其範圍一般是自地面到2公里高度。隨季節和晝夜的不同，下層的範圍也有一些變動，一般是夏季高於冬季，白天高於夜間。在這層里氣流受地面的摩擦作用的影響較大，湍流交換作用特別強盛，通常，隨着高度的增加，風速增大，風向偏轉。這層受地面熱力作用的影響，氣溫亦有明顯的日變化。由於本層的水汽、塵粒含量較多，因而，低雲、霧、浮塵等出現頻繁。
中層
中層底界在摩擦層頂，上層高度約為6公里。它受地面影響比摩擦層小得多，氣流狀況基本上可表徵整個對流層空氣運動的趨勢。大氣中的雲和降水大都產生在這一層內。
上層
上層的範圍是從6公里高度伸展到對流層的頂部。這一層受地面的影響更小，氣溫常年都在0℃以下，水汽含量較少，各種雲都由冰晶和過冷水滴組成。在中緯度和熱帶地區，這一層中常出現風速等於或大於30米/秒的強風帶，即所謂的急流。
此外，在對流層和平流層之間，有一個厚度為數百米到1～2公里的過渡層，稱為對流層頂。主要特徵是，氣溫隨高度而降低的情況有突然變化。對流層頂對垂直氣流有很大的阻擋作用，上升的水汽、塵粒多聚集其下，使得那裡的能見度往往較壞。
平流層
在對流層上面，直到高于海平面50公里這一層，氣流主要表現為水平方向運動，對流現象減弱，這一大氣層叫做「平流層」，又稱「同溫層」。這裡基本上沒有水氣，晴朗無雲，很少發生天氣變化，適于飛機航行。在20～30公里高處，氧分子在紫外線作用下，形成臭氧層，像一道屏障保護着地球上的生物免受太陽高能粒子的襲擊。
平流層之所以與對流層相反，隨高度上升是氣溫上升，是因為其頂部吸收了來自太陽的紫外線而被加熱。故之在這一層，氣溫會因高度而上升。平流層的頂部氣溫大概徘徊在270K左右，與地面氣溫差不多。平流層頂部稱為平流層頂，在此之上氣溫又會再以隨高度而下降。至於垂直氣溫分層方面，由於高溫層置上而低溫層置下，使到平流層較為穩定。那是因為那裡沒有常規的對流活動及如此相連的氣流。此層的增溫是由於臭氧層吸收了來自太陽的紫外線，它把平流層的頂部加熱。至於平流層的底部，來自頂部的傳導及下部對流層的對流剛好在那裡抵消。所以，極地的平流層會於較低高度出現，因為極地的地面氣溫相對較低。
平流層是一個放射性、動力學及化學過程都會有強烈反應的區域。因為其水平的氣態成份混合比起垂直的混合都來得要快。一個較為有趣的平流層環流特性是發生於熱帶地區的准雙年震盪（QBO）。這種現象由重力波引導，是由於對流層的對流而引至的。准雙年震盪引致了次級環流的發生，這對於全球性的平流層輸送諸如臭氧及水蒸氣等尤為重要。 在北半球的冬季，平流層突發性增溫經常發生。這是因為平流層吸收了羅斯貝波所致。
目前大型客機大多飛行於此層，以增加飛行的穩定度。原因有：
能見度高：地球大氣的平流層水汽、懸浮固體顆粒、雜質等極少，天氣比較晴朗，光線比較好，能見度很高，便於高空飛行。
受力穩定：平流層的大氣上暖下涼，大氣不對流，以平流運動為主，飛機在其中受力比較穩定，便于飛行員操縱架駛。
噪聲污染小：平流層距地面較高，飛機絕大部分時間在其中飛行，對地面的噪聲污染相對較小。
安全係數高：飛鳥飛行的高度一般達不到平流層，飛機在平流層中飛行就比較安全。當然，在起飛和着陸時，要想方設法驅趕開飛鳥才更為安全．
中間層
平流層以上，到離地球表面85公里，叫做「中間層」，又稱中層。自平流層頂到85千米之間的大氣層。層內因臭氧含量低，同時，能被氮、氧等直接吸收的太陽短波輻射已經大部分被上層大氣所吸收，所以溫度垂直遞減率很大，對流運動強盛。中間層頂附近的溫度約為190開；空氣分子吸收太陽紫外輻射後可發生電離，習慣上稱為電離層的D層；有時在高緯度、夏季、黃昏時有夜光雲出現。物質組成為氮氣和氧氣為主，幾乎沒有臭氧。該層的60-90公里高度上，有一個只有在白天出現的電離層，叫做D層。氣溫隨高度增高而迅速下降，頂部氣溫降到-83攝氏度以下。原因是：本層幾乎沒有臭氧，而氮氣和氧氣等氣體所能吸收的波長更短的太陽輻射又大部分已被上層大氣所吸收了。
熱層
從85公里到500公里這一層，稱為熱層或暖層。它的特點是溫度隨高度升高而升高，在距地面400公里的高空，溫度可達3000-4000℃。這一層里的氧原子和氮原子處於電離狀態，所以又被稱為電離層。來自地表某個地點的無線電波，必須經過電離層的反射，才能傳到世界各地。
在這兩層內，經常會出現許多有趣的天文現象，如極光、流星等。人類還藉助於熱層，實現短波無線電通信，使遠隔重洋的人們相互溝通信息，因為熱層的大氣因受太陽輻射，溫度較高，氣體分子或原子大量電離，複合機率又少，形成電離層，能導電，反射無線電短波。
外大氣層
熱層頂以上是外大氣層，離地面500千米以上，也叫磁力層，延伸至距地球表面1000公里處。它是大氣層的最外層，是大氣層向星際空間過渡的區域，外面沒有什麼明顯的邊界。這裡的溫度很高，可達數千度；大氣已極其稀薄，其密度為海平面處的一億億分之一。在通常情況下，上部界限在地磁極附近較低，近磁赤道上空在向太陽一側，約有9-10個地球半徑高，換句話說，大約有65000千米高。在這裡空氣極其稀薄。 通常把1000千米之內，即電離層之內作為大氣的高度，即大氣層厚1000千米。
熱層以上大氣的外層下限約在800- 1000 公里， 上限可伸展到3000公里。這裡是地球大氣與星際空間的過渡地帶。因為這一層的空氣非常稀薄，溫度又高，一些高速運動的空氣分子和原子拚命掙脫地球引力的束縛，逃逸到宇宙太空中去，所以，這一層又稱為散逸層。