二、大气的垂直分层

大气的下界是地面，上界则说法不一。因为，星际空间存在着星际气体物质。由于地球引力场的作用，大气的密度随高度增加而迅速减小，并逐步过渡到宇宙空间与星际气体物质相连接。根据大气层中出现的某些物理现象，可大致确定其物理上界。极光现象可能出现的最大高度是 1200 公里，说明这一高度大气尚有一定密度；在此高度以上不再有极光发生，说明大气密度小到微不足道的程度。因此，1200 公里高度可作为大气层的物理上界。根据天体物理研究，星际气体密度约为每立方厘米一个微观粒子。按人造卫星探测资料推算，地球大气密度在 2000—3000km 高空达到这一标准。因此，有人主张以此高度作为大气上界。

（一）大气的分层

从地面到高空，大气的成分、密度、温度等物理性质都有明显的变化。世界气象组织根据气温的垂直分布，将大气分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层（图 3-2）。

对流层其下界是地面，上界因纬度和季节而不同。根据观测，对流层的平均厚度在低纬度为 17—18 公里，中纬度 10—12 公里，高纬度 8—9

公里。夏季对流层的厚度大于冬季，例如南京夏季对流层厚度可达 17 公里，

冬季只有 11 公里。

对流层集中了整个大气质量的 3/4 和几乎全部水汽，它具有以下三个基本特征：

在一般情况下，对流层中气温随高度增加而降低。因为，对流层空气主要依靠地面长波辐射增热，愈近地面，空气受热愈多，反之愈少。因

此，高度愈大，气温愈低。平均每升高 100 米气温降低 0.6℃。

空气对流运动显著。对流层的温度垂直变化明显，水平分布不均，愈近地面气温愈高，纬度愈高气温愈低。这种状况有利于空气的垂直对流和水平运动。空气的对流运动，使

高低层空气得到交换，近地面的热量、水汽和杂质通过对流向上空输送，导致一系列的天气现象的形成。

天气现象复杂多变。由于空气有垂直对流与水平运动，水汽和杂质含量均多，随着气温变化，可产生一系列物理过程，形成复杂的天气现象。因此，对流层与地表自然界和人类关系最为密切。

对流层内部根据温度、湿度和气流运动，以及天气状况诸方面的差异，通常划分为三层：①下层：底部和地表接触，上界大致为 1—2 公里，有季节和昼夜等的变化，一般夏季高于冬季，白天高于夜间。下层的特点是水汽、杂质含量最多，气温日变化大，气流运动受地表摩擦作用强烈，空气的垂直对流、乱流明显，故下层通常也叫摩擦层或边界层。②中层：下界为摩擦层顶，上部界限在 6 公里左右。中层受地面影响很小，空气运动代表整个对流层的一般趋势，大气中发生的云和降水现象，多数出现在这一层。此层的上部，气压只及地面的一半。③上层：范围从 6 公里高度伸展到对流层顶部。这一层的水汽含量极少，气温经常保持在 0℃以下，云都由冰晶或过冷水滴所组成。

在对流层和平流层之间，还存在一个厚度数百米至 1—2 公里的过渡层，称为对流层顶。其气温随高度增加变化很小，甚至没有变化，它抑制着对流层内的对流作用进一步发展。

平流层对流层顶以上到 50—55 公里范围是平流层。平流层气温基本上不受地面影响，故随着高度的增加，起初不变或变化极小；至 30 公里高度以上时，由于臭氧含量多，吸收了大量的紫外线，因此升温很快，并大致在 50 公里高空形成一个暖区。到平流层顶，气温约升到 270—290K。平流层水汽含量极少，因而没有对流层内出现的那些天气现象，只在底部偶然出现一些分散的贝云。本层气流运动相当平稳，并以水平运动为主，平流层即由此而得名。现代民用航空飞机可在平流层内飞行。
中间层自平流层顶到 80—85 公里是中间层，主要特点是气温随高度增加而迅速下降，到顶部降至 160—190K。这可能与这一高度几乎没有 O3 有关。由于下层气温比上层高，故空气有垂直对流运动，又称为高空对流层或上对流层。
暖层（电离层）自中间层顶到 800 公里高空属于暖层。这一层大气密度很小，在 700 公里厚的气层中，只含有大气总质量的 0.5％。本层特点是：气温随高度的增加而迅速升高，到顶部高达 1000K，这是因为所有波长小于0.175μm 的太阳紫外辐射都已被暖层气体所吸收的缘故。由于大气密度太

小，氧分子和部分氮分子在太阳紫外线和宇宙射线作用下被分解为原子，并处于高度电离状态，所以暖层又称电离层。如图 3-2 所示，电离程度较强的有高度在 100—120 公里的 E 层和 200—400 公里的 F 层，以及介于中间层和暖层之间的，只在白天出现、高度大致为 80 公里的 D 层。电离层能够反射无线电波，故在远距离无线电通讯中具有重要意义。当太阳活动强烈时，电离层受到骚扰，并能吸收短波无线电，导致地球上无线电通讯受阻甚至短时间中断。

散逸层（外层）暖层顶之上，因大气十分稀薄，离地面远，受地球引力场约束微弱，一些高速运动的空气质点就能散逸到星际空间，所以本层称为散逸层。根据宇宙火箭探测资料，地球大气层之外，还有一层极其稀薄的电离气体，可伸展到 22000 公里高度，称为地冕。这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域。

从大气与地表自然环境之间关系来说，对流层具有特别重要的意义。下面将主要讨论对流层范围内的基本情况。