学文网【摘要】 地球周围包裹着厚厚的大气层，大气层从下向上可分为对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层，在平流层和暖层、散逸层还分布着臭氧层和电离层，大气层对人类以及整个生物圈有非常重要的作用。
【关键词】 大气层 对流层 平流层 中间层 暖层 散逸层
人类的家园是地球，而地球的外面覆盖着一层大气，如果没有水和大气以及适宜的温度和环境，生物是很难生存的。通常，在人们的眼中，"天"很高，要想冲出厚厚的大气层进入太空非常困难;其实与地球相比，大气层是很薄的，地球的直径有12700Km，而稠密大气层的厚度只有100～140Km，如果将地球比作一个苹果的话，我们可以把大气层看成是苹果的皮;可这层"苹果皮"与地球上生活的人及其它生物的尺度相比，却又相当厚重，大气层本身也是变化多端的。
地球大气层的厚度在1000Km以上，由于地球旋转以及大气对太阳辐射所具有的特殊反应，使得大气的温度和静力稳定度在垂直方向上分布是不均匀的，大气层从下向上可分为对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层。
（一）对流层的特点
对流层的高度约为10～20 Km，对流层有以下特点：
(1)气温随高度的增加而降低。这主要是因为对流层大气的热量绝大部分直接来自地面的长波辐射，气层越靠近地面，获得的辐射越多，温度也越高；离地面越远，温度越低。平均每上升100米，气温降低0.6℃，我们可依据上述的气温递减率来计算离地面一定高度处的的气温。
(2)空气对流运动显著。沿经向方向，空气在热带受热，极地冷却，在斜压径向扰动下向北输送暖空气，向南输送冷空气；沿垂直方向上，暖空气降温下沉，冷空气受热上升，形成对流运动。低纬度地区受热多，对流旺盛，对流层所达高度就高，可达17～18千米；高纬度地区受热少，对流层高度就低，仅8～9千米。
(3)天气现象复杂多变。近地面的水汽和固体杂质通过对流运动向上空输送，在上升过程中随着气温的降低，容易成云致雨。云、雨、雪等天气现象就发生在这一层。所以，对流层与人类的关系最为密切。
（二）平流层的特点及其成因
平流层，亦称同温层，高度约为20～50 Km，在中纬度地区，平流层始于离地表20 Km的高度，而在极地，此层则始于离地表8Km左右。平流层被分成不同的温度层，高温层置于顶部，而低温层置于低部；是地球大气层里上热下冷的一层，它与位于其下贴近地表的对流层刚好相反；下半部温度随高度变化较小，上半部则增高得快。在平流层下层，即30-35km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，保持在-55℃左右，所以又称同温层。在30～35km以上，温度随高度升高而升高，到平流层顶温度升至约0℃。这种温度随高度升高而增高的特征，是由于大气中的臭氧主要集中在这一层，并且对太阳紫外辐射强烈的吸收形成的。臭氧层的高度为20～30 Km，臭氧量随纬度、季节和天气等因素的变化而不同.
平流层内垂直对流运动很小，多为平流运动；空气比下层稀薄得多，水气和尘埃等杂质很少，很少有云出现，没有对流层中那种云、雨等天气现象，大气透明度好，有利于高空飞行，因此是现代超音速飞机飞行的理想场所。平流层内气压和密度随高度的变化比对流层内缓慢。中纬度地区的夏季，平流层下部盛行西风，风速随高度减小，到22～25千米，渐次转为东风，风速随高度加大；冬季的情况较复杂，在高纬度地区，20～30千米高度上有贝母云。平流层内空气大多作水平运动，对流十分微弱。大气污染物进入平流层后能长期存在。因此，保护平流层环境不受污染，具有重要意义。
（三）中间层的特点
平流层以上是中间层。中间层高度约为50Km～85Km，气温随高度的增大而减小，中间层大气的垂直对流运动强烈。
自平流层顶到85 Km之间的大气层中，几乎没有臭氧，以氮气和氧气为主, 而氮气和氧气等气体所能吸收的波长更短的太阳辐射大部分已被上层大气所吸收了。所以气温随高度增高而迅速下降，顶部气温降到-83℃以下。
该层的60Km～90Km高度上，有一个只有在白天出现的电离层。电离层是地球大气的一个电离区域，60Km以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就是把磁层看成了电离层的一部分。
电离层是这样形成的，地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和(正、负)离子（其反应如： hυ+Hp + e, hυ+oe + o+, hυ+o_2o2+e），形成的等离子体区域即为电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。可用电离层特性参量电子密度、离子密度、电子温度、离子温度等的空间分布来表征。但其研究主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数。电子密度随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。
电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为高度大致为60～90 Km的D层，100～120 Km间的E层和200～400Km间的F层，（F层在夏季日间又分为F1层和F2层，F1层高度约200Km，F2层高约250～400Km）。只在白天出现，电离程度都较强烈。除正规分层外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发E层（Es）和扩展F层。偶发E层较常见，是出现于E层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一、二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处。扩展F层是一种出现于F层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，所以各层的形态变化也不尽相同。
电离层对无线电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。3～30兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中，信号衰落较大。电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。受电离层影响的波段从极低频(ELF)直至甚高频(VHF)，但影响最大的是中波和短波波段。
电离层骚扰是指太阳扰动以及其他原因导致对电离层正常状态的显著偏离。太阳扰动引起的电离层骚扰主要有：①电离层突然骚扰。太阳色球在耀斑爆发期间发出强烈的紫外线和Χ射线辐射 ，使 D 层的电子密度突然增大 ，对通讯造成严重影响，甚至中断。突然骚扰持续时间一般为几分钟至几小时。②电离层暴引起F2层状态的异常变化。③极盖吸收。在强烈的太阳耀斑爆发时，由太阳喷射出来的高能质子流沿地磁感应线沉降到极盖区上空，使D层的电离急剧增大，以至通过该区的无线电波被强烈吸收，常造成无线电通讯中断。 ④ 极光带吸收。来自太阳扰动区的高能电子和质子沉降到极区上空，使极光带低电离层的电离增强，以至通过该区域的电磁波被强烈吸收。人为因素如核爆炸、大功率发射机对电离层加热等也能引起电离层骚扰。电离层骚扰对无线电波传播会产生严重影响。
（四）暖层的特点
中间层以上是暖层，暖层是指中间层顶(约85千米)至250km(在太阳宁静期)或500km左右(太阳活动期)之间的大气层。
暖层的特点是：暖层温度结构主要受太阳活动的支配，昼夜变化很大，通常在300～500Km之间。从暖层底部向上，大气温度迅速增加，层顶温度可达1500K。暖层几乎吸收了波长短于0.175μm的全部太阳紫外辐射，暖层中的氧原子（O）和氧（O2）、氮（N2）气体成分，在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，已处于高度电离状态，所以也把暖层称作"电离层"。 暖层下部尚有少量的水分存在，因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云。
（五）散逸层的特点
暖层以上是散逸层，或称为逃逸层，是大气层的最外层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离；由带电粒子组成。使质子和氦核的含量大大超过中性氢原子的含量。逃逸层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同，故又常称为外大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球引力场进入太空。逃逸层是地球大气的最外层，该层的上界在哪里还没有一致的看法。实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。逃逸层的温度随高度增加而略有增加。
参考文献
［1］ ［美］郭晓岚讲授，1981年， 《大气动力学》 江苏科学技术出版社 22～23，140
［2］ 钱学森 著 2008年 《星际航行概论》 中国宇航出版社 13，208～222
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