大气层究竟如何构造

大气层究竟如何构造

地球处在大气层的保护之下，它为地球消除了流星的危害，遮蔽了大量的有害光线，保持地球的温度的稳定，使得我们这个星球上生机勃勃，说大气层是人类的保护伞，一点也不为过。

茫无涯际的气层，环绕地球表面，像一个巨大的外壳，厚达数百英里。地球上无处没有空气。地表和海平面的空气，除含有水分及杂质之外，主要成分与高空的空气一样。大概来说，氮占百分之七十八，氧占百分之二十一，其余是小量氩、二氧化碳、氖、氦、氪、氢、臭氧和微量其他气体。但高度越高，空气就越稀薄。到约六英里高空，空气稀薄的程度，能令人在几分钟内窒息。在十二英里高空，蜡烛也点不着，因为没有足够的空气助燃。更高的上空，空气更加稀薄，每立方英寸的空气中，气体分子数目剧减。换言之，高度越增加，大气粒子之间的距离就越大。通常每升高十二英里半，空气密度减低十倍。到一百二十五英里髙空，只及海平面上的一百亿分之一左右，接近真空状态。不过，即使在这种高度，一立方厘米的空间里，也还有数以亿计的气体分子，足以形成可以探测出来的大气。

人类不能明确定出大气层的最高界限，就像不能定出一团烟的边缘一样。在地球上空髙处，空气层渐渐化入“行星际空间”那种近乎真空的地带，但我们不能把太空的开端划出二条明显的界线来。

空气看来似是均匀的，其实科学家发现大气内分开几个显著的气层。最低一层称为对流层，这里出现的变化就是我们称为“天气”的现象。这是个湍流区，云和天虹都在这里形成，还有大风、季风及沙暴；甚至暴雨、雷、雹、电等也都在此发生。

一般来说，对流层中越向上升，气温就越冷。说来似乎很矛盾，对流层顶部在赤道之上竟比在两极之上更冷。这是什么道理？原来由于地球自转而产生的离心力，在赤道地方比两极更大，对流层自然受到离心力在纬度上的差异所影响。简单来说，环绕在地球表面的空气，分布并不平均。对流层在赤道一带显著地鼓起，高度约为十三英里，而在两极的高度则只有五英里。因此在赤道之上的对流层顶部，比在两极之上更冷。两处的平均温度分别是华氏零下一百一十二度及华氏零下五十八度。

谜题之一：大气颜色之谜

对流层内究竟有什么东西环绕地球呢？一片无云的深蓝色天空，有颜色之浓，地球表面无法看得到。为什么会如此深蓝？又为什么不是其他颜色？

答案在于太阳白光的成分和气体分子的散射作用。阳光其实是一组混乱的光波，由于虹所有的颜色组成。这些不同颜色的光波穿过大气层向下照射时，受到空气中气体分子的散射作用，就造成这种效果。紫光和蓝光偏转后，离开原来白光的方向最远，因为气体分子的散射作用，对黄光影响较少，对紫光和蓝光影响较大，对红光则几乎毫无影响。蓝光一旦偏转后，遇到其他大气粒子再偏转。这种散射过程反复进行，永无止境，使蓝光在空气中曲折而行。最后到达地球表面时，不像是从太阳直接射来，却很像细微的雨，从天空四面八方射下。结果，天空看来像蓝色，而太阳却呈黄色，因为黄和红的光线较少受到散射的影响，几乎可说是直射下来的。黄昏时分，阳光要经过特别长的途径，才能穿过对流层的厚空气，甚至黄光也大受散射影响，而红光所受的影响则甚少，因此西下的夕阳，活像个深红的圆球。

大气对光线的散射作用逐渐减少的现象，可以说明为什么高度越增加，天空就越黑暗。在极高的天空上，太阳光线遇到的大气粒子比在海平面的高度为少，同时散射和偏转作用也不常有。所以光线再不像从四面八方射来，而射来的光主要是由光源（太阳）射来。假如没有大气，天空就没有颜色。因此，在极髙的地方所看到的天空，就像黑夜那么黑暗，而太阳光线则成为耀目炽烈的白光。

气象探测气球从对流层顶向上升，进入空气稀薄而明净的平流层，记录到温度显著上升。这种温度上升现象，在十六至三十二英里髙空最为显著。长久以来科学家都百思不解。今天我们知道这种现象出现在几层臭氧内。这样高的平流层中，主要成分是臭氧。太阳的强烈紫外光，使天然的氧分子分裂成两个原子，这些原子再组合后，就成为臭氧。后来，臭氧再分解变回普通氧时，紫外光原来的能放出来变成热。在三十二英里高空上，这种变化过程产生的热量，足使温度升至冰点之上。从人类的立场来说，平流层中的臭氧，保护着一切生物的生命，假如紫外光全部都射到地球上，那种渗透力和破坏力就会严重伤害地球上的生物。因此，臭氧层可以说是一把伞，替人类遮挡了太阳最危险的光线。

五十英里上空，漆黑如墨，可以看到太空中的繁星，该处是中间层之顶，温度降至华氏零下一百三十五度。由于空气分子之间分隔得太远，无法传送声音，所以经常是一片死寂。下面白云飘飘，像片片棉絮，云顶表面反照出灿烂的阳光。如果视野清楚，可在雾霭中看见地球朦胧的地平线。在这里，人类首次看到地球球面的弯度，还使我们了解自己的地球如何巨大，太阳系万有引力又如何强烈。

谜题之二：电离层之谜

约在五十英里髙空，空气都带上了电荷；本来电荷上属中性的大气粒子，带上电荷后，性质变了，能够互相吸引或排斥。除了太空人，人类迄今只进入四个（有时是五个）电离层中的第一层，名称就叫“0”层，只有在阳光照耀时0层才会出现。

我们对电离层的正确知识很贫乏。不过，我们知道原子由一个带正电荷的核心和一个带负电荷的“电子”壳层构成，电子依固定轨道绕着核心运行。组成一切物质（包括空气在内）的各种原子，都是依这个基本原理构成。但在高空上，宇宙射线及太阳的辐射，袭击原子的电子壳层结构，使其改变，并把一部分电子从普通带中性电荷的系统中驱逐出来。一个中性原子失去一个电子时，其核心的正电荷就支配整个结构，变成带正电荷的离子，而分裂出来的电子就成为带负电荷的粒子。

所有四个离子层，都充满了带正、负电荷的原子碎屑。所以我们就把大气上层，即海平面上五十至六百英里的高空，称为电离层。电离层是大气领域中最奇妙的地区。离奇的极光就是在这里显现。低频率无线电波碰到这个带电荷的地区，就会像镜子一样反射回到地球，使短波无线电信号可以折回传到地球很远的地方。由于无线电波只循直线而行，由地平线下的发报机发出来的信号，不靠这个方法就收不到了。

到五十八英里髙空，最后的云层像若隐若现的薄纱飘过去。它们都是“夜光云”一不是微细的冰晶就是尘埃。在破晓或薄暮时分，有时可以从地球上看到这些云层。只有在那个时候，较低的云层仍在阴影中，太阳光线才能以某种角度照亮这种薄云层，使我们可以从地球上看到它们的踪迹。

髙层大气也是流星闪现的区域。这里的空气密度，仅足以摩擦生出点燃“外太空射来的枪弹”的热。地球物理学家计算过，每天约有一亿块这类碎片落入大气层，变成白炽的流星，但只维持几秒钟就无害地烧成了气。能落到地面的，为数极少。

约在一百二十英里上空的电离层中，气温高达华氏一千五百度。再向上升，气温还要高。不过，这样的高气温也令人易生误解。气温本来是度量大气粒子运行速度的标准。但从四十英里髙空再往上，任何指定的空间体积内，不管大气粒子运行速度如何，都没有足够的大气粒子来产生大量的热能。可是，空气的厚度也不足以遮挡物体不受太阳直接照射。这种情况正如在没有空气的月球上，受太阳直接照射的东西，温度会升得很高，但在阴暗区域，温度却下降至零下数百度。

大概在地球表面之上六百英里，空气稀薄到难以置信的程度，但绝不是没有空气存在。这就是外大气圈。在这里地球引力对大气粒子的影响已非常微弱。大气粒子的数量与大气较低层的相比，也少了很多，但是因为直接暴露在太阳能之下，它们运动得更快。在这种情况下，有些粒子完全脱离了大气层，可能在太空中飘荡，直至进入另一颗星球的引力场为止；有些粒子可能绕着地球运行，像微小的卫星；还有一些会再下坠潜入较低的大气层中。

外大气圈向上伸展进入太空，无边无际，成为我们大气层中最髙的一层。再向上升就是范艾伦辐射带，以及宇宙远方近乎真空的范围了。