大气圈的垂直结构

二、大气圈的垂直结构

由于地球引力的作用，大气密度随高度的增加逐渐减小。大气总质量的55％都集中在离下垫面5.5km以下的最低层，离地30～1000km左右的大气层质量只占大气总质量的1％。大气圈从地面到大气上界，其密度和压力迅速减少，并逐步过渡到宇宙空间，和弥漫在星际空间密度极小的“星际气体”联结起来，因此很难以界面划定大气圈的上界。过去大气物理学家根据某些物理现象(如极光)出现的最大高度(极光可出现在1200km高度)来确定大气的物理上界。现代利用人造地球卫星探测资料分析，2000～3000km高度间的大气密度已接近于行星空际间的气体密度，故定义大气上界在2000～3000km之间。

观测表明，不同高度上的地球大气具有明显不同的物理特性。世界气象组织(WMO)根据温度、成分、电荷等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动特性，将整个大气圈分成对流层、平流层以及高空的中间层、暖层和散逸层五个圈层(见图7-1)。

1.对流层(Troposphere)

图7-1　大气圈的垂直结构(王建，2001)

对流层是大气圈的最底层，其上界随纬度和季节而不同。在低纬度地带为17～18km，中纬度地 带为10～12km，高纬度地带为8～9km。同一纬度尤其是中纬度对流层厚度夏季明显大于冬季，如南京对流层厚度夏季约15km，冬季约11km。虽然对流层厚度最薄，不及大气层总厚度的1/10，但受地球引力作用却集中了整个大气3/4的质量和几乎全部的水汽。主要的天气现象都发生在这一层，对人类和生物的影响最大，与自然地理环境的关系最为密切，也是大气科学研究的重点层次。对流层有三个最主要的特点：

(1)气温随高度增加而降低。对流层大气主要依靠地面长波辐射增热，一般情况下，越靠近地面，空气吸收地面长波辐射热越多，气温就越高，离地面越远，气温就越低，许多高山在夏季也有积雪现象便是这一特征的明显表现。据观测，平均每上升100m高度，气温约下降0.6℃，该值称为气温直减率或气温垂直梯度，通常以r表示：

r=－dt/dz=0.6℃/100m

对流层内气温随高度增加而降低的量值因所在地区、高度、季节等因素而异。

(2)空气的对流运动显著。由于地表加热不均产生空气的垂直对流运动，使高层与低层大气间得以交换和混和。近地表的热量、水汽和气溶胶粒子等通过空气的对流运动向上输送，形成云峰高耸现象，促进雨、雪的生成。

(3)温度、湿度水平分布不均匀。地表性质的差异使对流层中温度与湿度的水平分布很不均匀，尤其在冷暖空气交界地区可因温度、湿度的分布不均匀而产生复杂的天气现象，如寒潮、梅雨、台风、冰雹等，对人类的生存环境影响较大。

2.平流层(Stratosphere)

自对流层顶向上至50～55km高度为平流层。平流层有两个特点：

①该层气温受地面影响很小，下层气温随高度增加变化极小，故又称同温层，到25km高度以上由于臭氧含量明显增多，吸收大量紫外线，使气温很快上升形成高空暖区。

②平流层水汽、尘埃含量极少，气流相当平稳，基本上只有水平运动，平流层因此得名。无普通云、雨现象，天气晴朗，能见度好，有利于飞机飞行。该层气温、密度、压力的变化，是宇宙飞船和卫星载入大气时计算表面加热的重要资料。

3.中间层(Mesosphere)

自平流层顶向上至80～85km高度，为中间层。由于此层内几乎没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而N₂、O₂等气体所能直接吸收的波长更短的太阳辐射又大部分被上层大气吸收了，所以该层的气温随高度增加而迅速下降，其顶部气温可降到－83～－113℃。由于下层(平流层)气温高于上层(中间层)，不稳定的大气层虽然引起了较强烈的垂直对流运动(故中间层又被称为高空对流层)，但由于中间层内水汽含量极少而几乎没有云层出现。仅在高纬度地区的75～90km处，黄昏前后才偶尔能看到可能由极细微的尘埃或冰晶所组成的夜光云。在中间层的60～90km高度上，还存在一个只有白天才出现的电离层(D层)。

4.暖层(Thermosphere)

自中间层顶向上至800km高空为暖层。这里空气密度很小，只有大气总质量的0.5％。在300km的高空，空气密度只及地面的10^－11。暖层存在着两个明显特点：

①气温随高度增加迅速升高，具有较大的温度梯度。据人造卫星探测，在300km的高空，温度已达1000℃以上。这是因为所有波长小于0.175μm的太阳紫外辐射都被该层气体所吸收，故称暖层或热层。

②空气处于高度电离状态。这是由于太阳辐射和宇宙射线的作用，使十分稀少的大气质量处于高度电离状态，故又称电离层。它能反射无线电波，能使无线电波绕地球曲面进行远距离传播。这里还有极光现象出现。

5.散逸层(Exosphere)

暖层以上的大气与星际空间的过渡带统称为散逸层，又称外层或大气上界。该层内温度极高，空气极稀薄，地球对空气粒子的引力很小，高速运动着的空气粒子可克服地心引力和空气阻力而散逸到星际空间去。据宇宙探测资料，由电离气体组成的非常广阔而又极其稀薄的大气层——地冕一直可延伸至22000km，可见大气圈是逐步过渡到星际空间的，很难以界面划定其上界。大气密度随高度增高而减小，但无论在哪个高度，其密度也不等于零，所以大气与星际空间无绝对的界限，但可以分析出一个相对的上界。此界以下大气密度不同于星际空间的气态物质。