地球/4f. 为什么山顶很冷？
似乎高山山峰的顶部应该更温暖，因为太阳更靠近山顶。那么为什么地球上的山顶比低海拔地区更冷呢？海拔和温度之间这种奇怪的关系是地球大气的一个迷人方面。大气的温度分布随海拔高度而变化，这是因为占据地球大气不同层的大气气体的吸收以及阳光在地球表面的吸收所致。
想象一个实验，用一个代表太阳的灯照射到代表地球的下方表面。如果该表面是光的完美反射体（反照率 = 1），比如镜子，那么你越靠近灯泡，它就会越暖和。最冷的地方会在镜子旁边，离灯泡最远的地方。
现在假设该表面是灰色的（反照率 = 0.12），只有 12% 的光反射回太空。在这种情况下，表面会吸收来自光的光能，并且表面会随着时间的推移而变暖。因此，灯泡和表面之间的最冷点将不再是表面，而是在表面上方某处。这个冷点或拐点称为停滞层。在这个灰色表面上的小山丘，随着你接近表面上方的这个较冷的层（或停滞层），其温度会随着海拔高度的升高而降低。月球是缺乏大气层的这种简单类型行星体的例子，它的反照率很低，为 0.12。月球表面在极冷和极热温度之间振荡，夜间温度降至 -150 摄氏度以下，低于干冰的凝固点，白天温度远高于 106 摄氏度，高于水的沸点。这种巨大的振荡和每日温度范围是由于月球表面上方气体缺乏任何阳光吸收造成的。当太阳照射在月球表面时，温度会飙升，当月球背离太阳时，温度在黑暗中骤降。如果没有大气层，地球也会出现类似的巨大温度振荡。
氧气在地球大气温度中起着重要作用。氧气、氮气和氩气是地球上最丰富的气体。氧气阻挡来自太阳的紫外线（高能）光。像地面上方的第二个表面一样，这些气体在平流层顶部附近（距地球 50 公里）被太阳的高能紫外线加热。臭氧阻挡了更多进入的紫外线阳光，导致一层更温暖的区域。这层位于地球表面上方的温暖层被称为平流层顶，标志着平流层的顶部。平流层顶下方空气的密度更大。这层区域的上方和下方温度较低，导致这层地球大气高处加热区域的上下方出现两个冷层。如果大气中缺乏氧气或其他吸收高能紫外线的光线的气体，则温度分布将缺少这两个不同的冷层，并且只有一个冷层。大气中氧气和臭氧的存在导致平流层顶下方，在平流层高处温度升高。请注意，与地球表面相比，平流层顶的温度仍然相当低，达到约 -15 摄氏度，但这比大气中的两个非常冷的层要高得多。对流层顶，大约位于地球表面上方 15 公里处，温度降至 -51 摄氏度，而位于平流层上方 80 公里的中间层顶则更冷，为 -100 摄氏度。这三个层，两个冷层：中间层顶和对流层顶，以及一个暖层：平流层顶，将大气分为四层；最低层是对流层，然后是平流层、中间层，以及最高层热层，热层拥有地球大气中最高的温度，但压力最低。
作为大气层最接近地球的层，以及我们呼吸和生活其中的层，对流层是包含地球大部分天气的层。术语“tropos”意为变化，大气层中这最低的区域由于天气而经历了许多变化。由于靠近地球表面，它也是大气层中较温暖的层之一。对流层厚约 8 至 14 公里，具体取决于您在地球上的位置。在赤道附近凸起，在两极附近较薄。作为我们呼吸的空气，空气在这层大气中密度最大，尤其是在海平面附近。对流层中的空气由 78% 的氮气、21% 的氧气和 1% 的氩气组成，还包含水蒸气、二氧化碳、甲烷和其他温室气体。这些较重的气体分子在地球表面附近更丰富。由于这些气体吸收红外光，因此它们有助于保留地球表面释放的大部分热量。云和水蒸气在对流层中含量最高，云很少在距地球表面 15 公里以上的地方形成。对流层中的温度随海拔高度的升高而降低，从地表的平均 15 摄氏度降至顶部的 -51 摄氏度。这种下降导致山峰比山谷要冷得多。对流层内的空气是包括人类在内的动物唯一可以呼吸的空气。
如果您乘坐过飞机，大多数商用飞机都会在平流层底部附近保持巡航高度，即地面以上 33,000 英尺到 42,000 英尺，或 10 公里到 13 公里，正好位于下方被云覆盖的世界之上。该高度的温度很冷，平均温度降至接近 -60 摄氏度。平流层中的气压急剧下降，从 226 毫米汞柱（30 千帕斯卡）到平流层顶部的 1 毫米汞柱（0.146 千帕斯卡）。气压非常低，以至于平流层中的大多数气体分子分布得非常稀疏，人类甚至鸟类都无法呼吸这种空气。由于这些低压，平流层中不会形成云，因为大部分水蒸气都局限于下方的对流层。然而，平流层内的温度随海拔高度升高而升高，因为它是氧气形成臭氧的重要层。氧气、氮气和氩气将这些气体带到地球上空的高海拔地区，并且平流层顶部标志着来自太阳的紫外线的关键吸收点。由于吸收了来自太阳的这些高能波长的光，平流层顶部的温度升高。
中间层厚 35 公里，约 22 英里，气压降至微不足道的 0.17 毫米汞柱（或 0.02 千帕斯卡），中间层顶附近的气压甚至更低。在这么高的大气层中发现的气体分子很少。氦 (He) 和氢 (H2) 气体等轻分子在中间层中变得更加丰富，但在这些极低的压力下，原子也开始电离。通常成对键合的氧气，会像 O−2 离子一样分离，氮气 N−3 也是如此。中间层中的温度随海拔高度降低，在顶部附近变得极其寒冷。由于中间层中散射光的气体很少，因此天空看起来更暗，几乎与外太空一样暗。“Meso”意为中间，地球上空还有另一层厚厚的大气层。
热层通常被认为是外太空。热层中的空气密度非常低，类似于外太空的黑暗。大多数科学家将热层与太空的边界设定在地球上方约100公里的位置，这也在热层内。热层是迄今为止研究的最厚的大气层，厚度为90公里（56英里）。气压非常低，因此该层接近真空状态，类似于外太空，但它确实包含许多带电的气体离子。由于这些离子与来自太阳的高能紫外线和伽马射线相互作用，因此热层内的温度会升高。白天，阳光将热层上层加热到2000摄氏度，而夜间热层顶部的温度降至500摄氏度。热层顶部之所以被加热，是因为地球大气边缘这些带电离子的相互作用。热层也是一个非常危险的地方。在如此高的温度下，航天器很容易被烧毁和损坏。例如，哥伦比亚号航天飞机在重返热层时，这些高温大气气体能够穿透隔热罩并破坏了机翼内部结构，导致航天飞机解体，于2003年2月1日造成7名机组人员丧生。
热层高处的氣體受到來自太陽的X射線、伽馬射線和紫外光的電離，導致電子離開原子。這些高電荷粒子在熱層中接近真空的壓力下循環。這些帶電粒子（孤立的電子、質子和中子）碰撞並被激發到更高的能級，釋放光子。這種光子的發射可以從地球表面觀察到，呈現出五彩繽紛的極光現象。鉴于这些带电粒子的电磁吸引，它们倾向于聚集在地球的磁极附近，即北磁极和南磁极的高空。
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在一些黑暗的夜晚，足够多的这些带电粒子会被激发并发射光子，从地球表面可以观察到夜空中壮观的绿色光显示。 北极光或北极光，以及南极光或南极光，可以在地球表面的高纬度地区观察到，特别是在太阳活动高发的无云夜晚。
一些大气科学家将热层称为电离层，因为它是大气中存在带电粒子的区域。热层/电离层的研究非常重要，因为该层中常见的带电粒子会影响远程无线电传输。媒体通常将热层中带电粒子变化的观测称为太空天气。
外层空间是指最外层大气，其密度非常低，以至于气体分子和离子之间不会相互作用，压力接近真空，类似于太空。外层空间可能主要由氦和氢组成，但对这一区域知之甚少。它始于距地球表面约600公里（374英里）处。低地球轨道卫星跨越热层和外层空间边界，高度在距地球180至2000公里之间。国际空间站，其低轨道高度为距地球409公里，实际上是在热层高处绕地球运行。大多数GPS卫星在中地球轨道上运行，高度约为距地球20200公里（12552英里）。地球同步轨道卫星通过与地球自转同步绕地球运行，因此从地球表面来看，一颗地球同步轨道卫星在一恒星日后会精确返回天空中的同一位置。地球同步卫星对于全球无线电和蜂窝电话通信非常重要，这一概念最初由科幻小说作家阿瑟·克拉克提出，他在20世纪40年代提出了高空卫星的想法。第一次使用地球同步卫星进行的电话通话发生在1963年8月23日，通话双方是美国约翰·肯尼迪总统和尼日利亚总理阿布巴卡尔·塔法瓦·巴勒瓦，这两位后来都在任职期间遇刺身亡。大多数地球同步轨道的轨道高度约为距地球表面35786公里（22236英里）。
地球同步轨道中一种非常特殊的类型是地球静止轨道，其中卫星与地球的自转速度相匹配。通信卫星通常放置在地球静止轨道上，这样蜂窝塔就不需要旋转来跟踪这些卫星，而是可以永久地指向卫星与地球自转同步位于天空中的位置。最远端的观测空间卫星位于更远的太空中，在地球高轨道上，该轨道延伸到35786公里以上，一直延伸到月球的距离，即384000公里。地球高轨道由于成本原因使用频率较低，但已被用于监测敌对国家进行的核武器试验。1963年发射的美国维拉卫星网络于1979年成功识别了以色列军队在印度洋进行的核试验。这些高轨道的卫星会受到月球引力的影响，仅用于需要在远离地球的超远距离执行的任务。例如，IBEX地球高轨道卫星绘制了太阳系在穿越星际空间时留下的粒子轨迹图。
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