高中地球科学/大气层

大气层是分层的，这些层与大气温度随高度变化的方式相对应。通过了解温度随高度变化的方式，我们可以学到很多关于大气层工作原理的知识。例如，天气发生在最低层的理由是，地球表面是大气层的主要热源。加热大气层的最底部会使暖空气位于冷空气之下，这是一种不稳定的情况，会导致剧烈的天气。有趣的事情发生在大气层的高处，比如美丽的极光，它用白色或彩色光的灿烂闪光、条纹和卷轴照亮天空。

课程目标

列出大气层的主要层次及其温度。
讨论为什么所有天气都发生在对流层。
讨论臭氧层如何保护地球表面免受有害辐射的影响。

气温

暖空气上升：这是一个几乎每个人都听说过的话。但也许不是每个人都知道这是为什么。气体分子可以自由移动，并且分子可以占据它们需要的任何空间。当分子冷却时，它们会变得迟缓并且不会移动太多，因此它们不会占据太多空间。当分子变暖时，它们会剧烈移动并占据更多空间。在相同的分子数量下，空气密度更低。这种较暖、较轻的空气比其上方的冷空气更具浮力，因此它会上升。然后较冷的空气会下沉，因为它比其下方的空气更密集。暖空气上升和冷空气下沉是一个非常重要的概念，有助于理解大气层。

正如你在上一节中所学到的，气体成分在我们大气层的前 100 公里内基本相同。这意味着如果我们在整个大气层中测量不同气体的百分比，它基本上会保持不变。然而，气体密度和气压会随高度变化；它们基本上会随着高度的增加而降低。随高度变化最为显著的特性是气温。与压力和密度变化不同，气温变化并不规则。温度随距离的变化称为温度梯度。

大气层根据该层中温度随高度变化的方式，即该层的温度梯度（图 15.4）被划分为层。每层的温度梯度是不同的。在一些层中，温度随高度增加，而在另一些层中，温度会下降。每层的温度梯度由该层的热源决定。四个主要层中每个层不同的温度梯度造成了大气层的热结构。

大气层有几个层。第一层是对流层。它最靠近地面，有时被称为低层大气。第二层是平流层，有时被称为高层大气。大气层中大多数重要的过程发生在这两层中的一个。

对流层

大约四分之三的大气气体存在于对流层中，因为重力将大部分气体拉近地球表面。与大气层其他部分一样，99% 的气体是氮气和氧气。另外 1% 是其他气体。

对流层厚度在全球范围内变化。赤道附近的对流层比两极厚，因为地球的自转倾向于将空气移向赤道。对流层的厚度也会随季节而变化。对流层在夏季较厚，在冬季较薄，遍布全球。在冬季的两极，大气层均匀地非常寒冷，对流层无法与其他层区分开来。当我们学习臭氧层消耗时，大气层这一特征的重要性将变得明朗。

地球表面是对流层的主要热源。热量从何而来？几乎所有的热量都来自太阳，无论是直接还是间接。一些入射的阳光直接加热大气层中的气体。但更多的阳光照射到地球的岩石、土壤和水面上，这些物体将其作为热量辐射回大气层，进一步加热对流层。对流层的温度在地球表面附近最高，并随高度降低。平均而言，对流层的温度梯度为每 1,000 米（每 1,000 英尺 3.6 华氏度）高度 6.5 摄氏度。

请注意，在对流层中，暖空气位于冷空气之下。由于暖空气密度较小并试图上升，因此这种情况是不稳定的。因此，对流层底部附近的暖空气上升，对流层高处的冷空气下沉。因此，对流层中的空气会进行大量的混合。这种混合会导致温度梯度随时间和地点而变化。由于将在下一节中讨论的原因，上升的空气无法上升到对流层顶部之上。对流层中空气的上升和下沉意味着地球上的所有天气都发生在对流层中。

当存在温度逆温时，对流层中的气温随高度增加，暖空气位于冷空气之上。这被称为逆温，因为通常的情况是相反的或反转的。逆温非常稳定，通常会持续几天甚至几周。逆温通常在夜间或冬季在陆地上形成。在这些时候，地面很冷，因为几乎没有太阳能到达地面。在晚上，太阳不出来，在冬天，太阳的仰角很低，因此很少的太阳辐射到达地面。这种寒冷的地面会冷却其上方的空气，使这一低层空气的密度高于其上方的空气。逆温也形成在海岸线上，那里冰冷的海水冷却其上方的空气。当这种密度较大的空气向内陆移动时，它会滑到陆地上方较暖的空气之下。由于温度逆温是稳定的，因此它们通常会困住污染物并在城市中造成不健康的空气状况（图 15.5）。

**图 15.5**：烟雾使温度逆温可见。烟雾被困在寒冷、密集的空气中，该空气位于一顶较暖空气的帽下面。

在对流层顶部有一个薄层，称为对流层顶。对流层顶的温度不随高度变化。这意味着对流层中较冷、较密集的空气被困在平流层中较暖、较不密集的空气之下。因此，对流层顶是一个屏障，阻止空气从对流层移动到平流层。有时，对流层顶会出现破裂，对流层和平流层的空气可以混合。

平流层

平流层上升到对流层顶之上。当火山喷发，尘埃和气体进入平流层时，它会在那里停留多年。这是因为平流层和平流层之间几乎没有混合。飞行员喜欢在平流层较低的部分飞行，因为那里几乎没有气流湍流。

在平流层中，温度随高度增加。原因是平流层的直接热源是太阳。一层臭氧分子吸收太阳辐射，从而加热平流层。与对流层不同，平流层中的空气是稳定的，因为较暖、较不密集的空气位于较冷、较密集的空气之上。因此，该层内几乎没有空气混合。

平流层的成分与大气层其他部分相同，除了臭氧层。臭氧层位于平流层内，高度在 15 到 30 公里（9 到 19 英里）之间。臭氧层厚度随季节和纬度而变化。臭氧层中存在的臭氧量很小，每百万个空气分子只有几个分子。尽管如此，臭氧的浓度比大气层其他部分高得多。臭氧层极其重要，因为平流层中的臭氧气体吸收了大部分太阳的有害紫外线 (UV) 辐射。

臭氧是如何做到这一点的？穿过臭氧层的高能紫外线将臭氧分子 O₃ 分解成一个氧分子 (O₂) 和一个氧原子 (O)。这个过程吸收了太阳最有害的紫外线。臭氧也在臭氧层中重新形成：氧原子与 O₂ 分子结合形成 O₃。在自然情况下，相同量的臭氧不断地被创造和破坏，因此臭氧层中的臭氧量保持不变。

臭氧层非常有效，以至于最高能量的紫外线，即UVC，根本无法到达地球表面。一些第二高能量的紫外线，即UVB，也被阻挡了。最低能量的紫外线，即UVA，则穿过大气层到达地面。这样，臭氧层就保护了地球上的生命。高能紫外线可以穿透细胞并破坏DNA，导致细胞死亡（我们知道这是一种严重的晒伤）。地球上的生物不适应强烈的紫外线照射，这会杀死或损伤它们。如果没有臭氧层来反射UVC和UVB，地球上大多数复杂的生命都无法生存太久。

平流层之上是稀薄的平流层顶，它是平流层下方和中间层上方的边界。平流层顶距离地球表面约50公里。

中间层

中间层的温度随高度下降。由于中间层中吸收太阳辐射的气体分子很少，因此这里的热源来自其下方的平流层。中间层非常寒冷，尤其是在其顶部，大约为-90°C（-130°F）。

中间层中的空气极其稀薄：99.9%的大气质量位于中间层以下。因此，气压非常低。虽然氧气相对于其他气体的含量与海平面相同，但气体量非常少，因此氧气也很少。穿过中间层的人会遭受来自紫外线的严重灼伤，因为提供紫外线保护的臭氧层位于其下方的平流层中。而且几乎没有氧气可以呼吸！更奇怪的是，没有保护的旅行者的血液会在正常体温下沸腾，因为气压太低。

尽管空气稀薄，但中间层中仍然有足够的气体，使流星在进入大气层时燃烧（图15.6）。气体与下降的流星产生摩擦，产生其尾部。有些人称它们为“流星”。中间层之上是中间层顶。只有宇航员穿过中间层顶。

热层

热层从中间层升起。国际空间站（ISS）位于热层的上部，距离地球约320至380公里（图15.7）。

宇航员在热层中会遇到什么？热层的温度可以超过1000°C（1800°F），因为该层中的氧分子吸收了短波长太阳能。然而，尽管有这些高温，国际空间站外的空气仍然感觉很冷。这是因为气体分子数量很少且分布稀疏，它们很少与其他原子碰撞，因此几乎没有能量转移。分子的密度非常低，一个气体分子可以行进约1公里才会与另一个分子碰撞。

热层内包含电离层。电离层之所以得名，是因为氮气和氧气分子被太阳辐射电离。在电离过程中，中性带电分子吸收来自太阳的高能短波长能量。这导致分子失去一个或多个电子并变成带正电的离子。释放的电子以电流的形式在电离层中传播。由于存在自由离子，电离层具有许多有趣的特性。

您是否曾在开阔的公路上发现过来自数百公里外的AM广播电台？无线电波在夜间可以传播如此远的原因与电离层有关。白天，电离层的较低部分会吸收无线电波的一些能量，并反射一些能量回到地球。但在晚上，波浪会从电离层反射回来，然后回到地面，然后再反弹回去。由于电离层中的电离现象，这种情况在白天不会发生。这种上下反弹使无线电波能够传播很远的距离。

电离层最壮观的特征是夜间的极光。在极地地区，许多夜晚都可以看到带有条带、弧线或雾状辉光的壮观灯光表演。灯光可以是白色、绿色、蓝色、红色或紫色。这种现象被称为北半球的北极光或北极光（图15.8）。在南半球被称为南极光或南极光。

极光是由太阳上发生的巨大风暴引起的，这些风暴会释放大量的质子和电子。这些带电粒子在太空中飞行，并沿着地球磁场线螺旋前进。地球磁场将带电粒子引导到两极，这解释了为什么主要在极地地区才能看到极光。当质子和电子进入电离层时，它们会激发氧气和氮气分子，使其发光。每种气体都会发出特定的颜色光。根据它们在大气中的位置，氧气会发出绿色或红色光，氮气会发出红色或蓝色光。当太阳发生更多磁暴时，极光的频率和强度会增加。

大气层最外层是外层空间。外层空间没有真正的外边界。如果您继续远离地球，气体分子最终会变得非常稀疏，以至于您将进入外层空间。由于外层空间中几乎没有重力来束缚气体分子，因此它们有时会逃逸到外层空间。在大气层之外是太阳风。太阳风是由高速粒子组成的，主要是质子和电子，它们从太阳快速向外传播。

课文总结

不同的温度梯度在大气中形成了不同的层。最底层是平流层，这里包含了大部分大气气体和地球上所有的天气现象。
平流层从地面获得热量，因此温度随高度下降。暖空气上升，冷空气下降，因此平流层是不稳定的。
在平流层中，温度随高度升高。平流层包含臭氧层，它保护地球免受太阳的有害紫外线照射。较高的层包含很少的气体分子，非常寒冷。

复习问题

为什么暖空气会上升？
为什么气温不会像气压那样随高度均匀下降或上升？请举例说明不同的可能情况。
大气层中哪里和什么时候没有真正的分层？为什么这种现象很重要？
描述地面是如何作为平流层的热源的。能量的来源是什么，能量发生了什么？
逆温层有多稳定？为什么？逆温层是如何形成的？
为什么平流层和对流层的空气不能自由混合？
平流层的热量来自哪里？吸收这些热量需要什么？
描述臭氧层中臭氧的产生和损失过程。在正常情况下，哪一个发生得更多？
“流星”是如何以及在哪里产生的？
为什么没有保护的旅行者的血液会在中间层的正常体温下沸腾？

词汇表

极光: 一种壮观的灯光表演，发生在靠近两极的电离层中；在北半球被称为北极光或北极光，在南半球被称为南极光或南极光。
外层空间: 大气层的最外层，这里的气体分子非常稀疏，一些分子偶尔会逃脱地球的重力并飞入外层空间。
逆温层: 对流层中的一种情况，暖空气位于冷空气之上。
电离层: 热层中包含的一个电离层；大气层的倒数第二层。
中间层顶: 大气中稀薄的过渡层，是中间层和热层的边界。
中间层: 平流层和热层之间的大气层；温度随高度下降。
臭氧层: 平流层中臭氧气体浓度较高的一个层。
太阳风: 从太阳飞过太阳系的快速质子和电子。
平流层顶: 平流层和中间层之间的大气层稀薄的过渡层。
平流层: 大气层的第二层，由于存在臭氧，温度随高度升高。
温度梯度: 温度随距离的变化。
热层: 大气层的倒数第二层，这里的气体分布非常稀疏。
平流层: 大气层的最底层。
紫外线辐射: 来自太阳的高能辐射；有三种类型的紫外线辐射：UVA、UVB和UVC。波长最短，因此最危险的是UVC。

思考要点

太阳能如何形成大气层？
太阳能如何产生天气？
如果臭氧层中的臭氧减少，地球上的生命会是什么情况？

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