大气的垂直结构——特殊的“五层楼”结构

    就整个地球来说,愈靠近核心,组成物质的密度就愈大。大气圈是地球的一部分,若与地球的固体部分相比较,密度要比地球的固体部分小得多,全部大气圈的重量大约为5×10万吨,还不到地球总重量的百分之一;以大气圈的高层和低层相比较,高层的密度比低层要小得多,而且越高越稀薄。假如把海平面上的空气密度作为1,那么在240公里的高空,大气密度只有它的一千万分之一;到了1600公里的高空就更稀薄了,只有它的一千万亿分之一。整个大气圈质量的90%都集中在高于海平面16公里以内的空间里。再往上去当升高到比海平面高出80公里的高度,大气圈质量的99.999%都集中在这个界限以下,而所乘无几的大气却占据了这个界限以上的极大的空间。

    探测结果表明,地球大气圈的顶部并没有明显的分界线,而是逐渐过渡到星际空间的。高层大气稀薄的程度虽说比人造的真空还要“空”,但是在那里确实还有气体的微粒存在,而且比星际空间的物质密度要大得多,然而,它们已不属于气体分子了,而是原子及原子再分裂而产生的粒子。以80-100公里的高度为界,在这个界限以下的大气,尽管有稠密稀薄的不同,但它们的成分大体是一致的,都是以氮和氧分子为主,这就是我们周围的空气。而在这个界限以上,到1000公里上下,就变得以氧为主了;再往上到2400公里上下,就以氦为主;再往上,则主要是氢;在3000公里以上,便稀薄得和星际空间的物质密度差不多了。

    自地球表面向上,大气层延伸得很高,可到几千公里的高空。根据人造卫星探测资料的推算,在2000-3000公里的高空,地球大气密度便达到每立方厘米一个微观粒子这一数值,和星际空间的密度非常相近,这样2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大气的上界。

    整个地球大气层象是一座高大的而又独特的“楼房”,按其成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上的变化,世界气象组织把这座“楼”分为五层,自下而上依次是:对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。

    对流层是紧贴地面的一层,它受地面的影响最大。因为地面附近的空气受热上升,而位于上面的冷空气下沉,这样就发生了对流运动,所以把这层叫做对流层。它的下界是地面,上界因纬度和季节而不同。据观测,在低纬度地区其上界为17-18公里;在中纬度地区为10-12公里;在高纬度地区仅为8-9公里。夏季的对流层厚度大于冬季。以南京为例,夏季的对流层厚度达17公里,而冬季只有11公里,冬夏厚度之差达6公里之多。

    在对流层的顶部,直到高于海平面50-55公里的这一层,气流运动相当平衡,而且主要以水平运动为主,故称为平流层。

    平流层之上,到高于海平面85公里高空的一层为中间层。这一层大气中,几乎没有臭氮,这就使来自太阳辐射的大量紫外线白白地穿过了这一层大气而未被吸收,所以,在这层大气里,气温随高度的增加而下降的很快,到顶部气温已下降到-83℃以下.由于下层气温比上层高,有利于空气的垂直对流运动,故又称之为高空对流层或上对流层.中间层顶部尚有水汽存在,可出现很薄且发光的“夜光云”,在夏季的夜晚,高纬度地区偶尔能见到这种银白色的夜光云。

    从中间层顶部到高出海面800公里的高空,称为暖(热)层,又叫电离层。这一层空气密度很小,在700公里厚的气层中,只含有大气总重量的0.5%。据探测,在120公里高空,声波已难以传播;270公里高空,大气密度只有地面的一百亿分之一,所以在这里即使在你耳边开大炮,也难听到什么声音。暖层里的气温很高,据人造卫星观测,在300公里高度上,气温高达1000℃以上。所以这一层叫做暖层或者热层。

    暖层顶以上的大气统称为散逸层,又叫外层。它是大气的最高层,高度最高可达到3000公里。这一层大气的温度也很高,空气十分稀薄,受地球引力场的约束很弱,一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间中去。根据宇宙火箭探测资料表明,地球大气圈之外,还有一层极其稀薄的电离气体,其高度可伸延到22000公里的高空,称之为地冕。地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域。人们形象地把它比作是地球的“帽子”。

    此外,还可以把整个大气看成是一座别致的“两层小楼”。这种“两层楼”的设计又是以大气的不同特征为根据的。

    第一,按着大气的化学成分来划分。这种划分是以距海平面90公里的高度为界限的。在90公里高度以下,大气是均匀地混合的,组成大气的各种成分相对比例不随高度而变化,这一层叫做均质层。在90公里高度以上,组成大气的各种成分的相对比例,是随高度的升高而发生变化的,比较轻的气体如氧原子、氦原子、氢原子等越来越多,大气就不再是均匀的混合了,因此,把这一层叫做非均质层。

    第二,是按着大气被电离的状态来划分,可分为非电离层和电离层。在海平面以上60公里以内的大气,基本上没有被电离处于中性状态,所以这一层叫非电离层。在60公里以上至1000公里的高度,这一层大气在太阳紫外线的作用下,大气成分开始电离,形成大量的正、负离子和自由电子,所以这一层叫做电离层,这一层对于无线电波的传播有着重要的作用。