基本介紹
- 中文名：大氣分層
- 外文名：atmospheric subdivision
- 簡介：大氣在垂直方向的各種特性
- 類型：氣象學名詞
背景介紹,分層,大氣分層,
背景介紹
就整個地球來說，愈靠近核心，組成物質的密度就愈大。大氣圈是地球的一部分，若與地球的固體部分相比較，密度要比地球的固體部分小得多，全部大氣圈的重量大約為5000萬億噸，還不到地球總重量的百分之一；以大氣圈的高層和低層相比較，高層的密度比低層要小得多，而且越高越稀薄。假如把海平面上的空氣密度作為1，那么在240公里的高空，大氣密度只有它的一千萬分之一；到了1600公里的高空就更稀薄了，只有它的一千萬億分之一。整個大氣圈質量的90%都集中在高于海平面16公里以內的空間裡。再往上去當升高到比海平面高出80公里的高度，大氣圈質量的99.999%都集中在這個界限以下，而所剩無幾的大氣卻占據了這個界限以上的極大的空間。
探測結果表明，地球大氣圈的頂部並沒有明顯的分界線，而是逐漸過渡到星際空間的。高層大氣稀薄的程度雖說比人造的真空還要“空”，但是在那裡確實還有氣體的微粒存在，而且比星際空間的物質密度要大得多，然而，它們已不屬於氣體分子了，而是原子及原子再分裂而產生的粒子。以80-100公里的高度為界，在這個界限以下的大氣，儘管有稠密稀薄的不同，但它們的成分大體是一致的，都是以氮和氧分子為主，這就是我們周圍的空氣。而在這個界限以上，到1000公里上下，就變得以氧為主了；再往上到2400公里上下，就以氦為主；再往上，則主要是氫；在3000公里以上，便稀薄得和星際空間的物質密度差不多了。
自地球表面向上，大氣層延伸得很高，可到幾千公里的高空。根據人造衛星探測資料的推算，在2000-3000公里的高空，地球大氣密度便達到每立方厘米一個微觀粒子這一數值，和星際空間的密度非常相近，這樣2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大氣的上界。
分層
地球大氣按其基本特性可分為若干層，但按不同的特性有不同的分層方法。常見的分層方法有：
按熱狀態特徵
自地球表面向上，隨高度的增加空氣愈來俞稀薄。大氣的上界可延伸到2000～3000公里的高度。在垂直方向上，大氣的物理性質有明顯的差異。根據氣溫的垂直分布、大氣擾動程度、電離現象等特徵，一般將大氣分為五層對流層、平流層 、中間層 、熱層和 外層（又稱外逸層或逃逸層）。接近地面、對流運動最顯著的大氣區域為對流層，對流層上界稱對流層頂，在赤道地區高度約17～18千米，在極地約8千米；從對流層頂 至約50千米的大氣層稱平流層，平流層內大氣多作水平運動，對流十分微弱，臭氧層即位於這一區域內；中間層又稱中層，是從平流層頂至約80千米的大氣區域；熱層是中間層頂至300～500千米的大氣層；熱層頂以上的大氣層稱外層大氣。
大氣分層圖
大氣分層圖1 對流層（troposphere）
對流層是大氣的最下層。它的高度因緯度和季節而異。就緯度而言，低緯度平均為17～18公里；中緯度平均為10～12公里；高緯度僅8～9公里。就季節而言，對流層上界的高度，夏季大於冬季，例如南京夏季對流層厚度可達17公里，冬季只有11公里。
對流層集中了整個大氣質量的3/4和幾乎全部水汽，它具有以下三個基本特徵：
（1）氣溫隨高度的增加而遞減，平均每升高100米，氣溫降低0.65℃。其原因是太陽輻射首先主要加熱地面，再由地面把熱量傳給大氣，因而愈近地面的空氣受熱愈多，氣溫愈高，遠離地面則氣溫逐漸降低。
（2）空氣有強烈的對流運動。地面性質不同，因而受熱不均。暖的地方空氣受熱膨脹而上升，冷的地方空氣冷縮而下降，從而產生空氣對流運動。對流運動使高層和低層空氣得以交換，促進熱量和水分傳輸，對成雲致雨有重要作用。
（3）天氣的複雜多變。對流層集中了75%大氣質量和90%的水汽，因此伴隨強烈的對流運動，產生水相變化，形成雲、雨、雪等複雜的天氣現象。因此，對流層與地表自然界和人類關係最為密切。
對流層內部根據溫度、濕度和氣流運動，以及天氣狀況諸方面的差異，通常劃分為三層：
①對流層下層：底部和地表接觸，上界大致為1—2 公里，有季節和晝夜等的變化，一般夏季高於冬季，白天高於夜間。下層的特點是水汽、雜質含量最多，氣溫日變化大，氣流運動受地表摩擦作用強烈，空氣的垂直對流、亂流明顯，故下層通常也叫摩擦層或邊界層。
②對流層中層：下界為摩擦層頂，上部界限在6公里左右。中層受地面影響很小，空氣運動代表整個對流層的一般趨勢，大氣中發生的雲和降水現象，多數出現在這一層。此層的上部，氣壓只及地面的一半。
③對流層上層：範圍從6 公里高度伸展到對流層頂部。這一層的水汽含量極少，氣溫經常保持在0℃以下，雲都由冰晶或過冷水滴所組成。
在對流層和平流層之間，還存在一個厚度數百米至1—2公里的過渡層，稱為對流層頂。其氣溫隨高度增加變化很小，甚至沒有變化，它抑制著對流層內的對流作用進一步發展。
2 平流層（stratosphere）
大氣分層示意圖
大氣分層示意圖自對流層頂向上55公里高度，為平流層。其主要特徵：
（1）溫度隨高度增加由等溫分布變逆溫分布。平流層的下層隨高度增加氣溫變化很小。大約在20公里以上，氣溫又隨高度增加而顯著升高，出現逆溫層。這是因為20～25公里高度處，臭氧含量最多。臭氧能吸收大量太陽紫外線，從而使氣溫升高，並大致在50公里高空形成一個暖區。到平流層頂，氣溫約升到270—290K。
（2）垂直氣流顯著減弱。平流層中空氣以水平運動為主，空氣垂直混合明顯減弱，整個平流層比較平穩。
（3）水汽、塵埃含量極少。由於水汽、塵埃含量少，對流層中的天氣現象在這一層很少見，只在底部偶然出現一些分散的貝雲。平流層天氣晴朗，大氣透明度好。
本層氣流運動相當平穩，並以水平運動為主，平流層即由此而得名。現代民用航空飛機可在平流層內飛行。
3 中間層（mesosphere）
從平流層頂到85公里高度為中間層。其主要特徵：
（1）氣溫隨高度增高而迅速降低，中間層的頂界氣溫降至－83℃～－113℃。因為該層臭氧含量極少，不能大量吸收太陽紫外線，而氮、氧能吸收的短波輻射又大部分被上層大氣所吸收，故氣溫隨高度增加而遞減。
（2）出現強烈地對流運動，又稱為高空對流層或上對流層。這是由於該層大氣上部冷、下部暖，致使空氣產生對流運動。但由於該層空氣稀薄，空氣的對流運動不能與對流層相比。
4 暖層（thermosphere）
從中間層頂到800公里高度為暖層。這一層大氣密度很小，在700公里厚的氣層中，只含有大氣總質量的0.5%。
暖層的特徵：
（1）隨高度的增高，氣溫迅速升高。據探測，在300公里高度上，氣溫可達1000℃以上。這是由於所有波長小於0.175微米的太陽紫外輻射都被該層的大氣物質所吸收，從而使其增溫。
（2）空氣處於高度電離狀態。這一層空氣密度很小，在270公里高度處，空氣密度約為地面空氣密度的百億分之一。由於空氣密度小，在太陽紫外線和宇宙射線的作用下，氧分子和部分氮分子被分解，並處於高度電離狀態，故暖層又稱電離層。電離層具有反射無線電波的能力，對無線電通訊有重要意義。
5 外層（outerlayer）
暖層頂以上，稱外層。它是大氣的最外一層，也是大氣層和星際空間的過渡層，但無明顯的邊界線。這一層，空氣極其稀薄，大氣質點碰撞機會很小。氣溫也隨高度增加而升高。由於氣溫很高，空氣粒子運動速度很快，又因距地球表面遠，受地球引力作用小，故一些高速運動的空氣質點不斷散逸到星際空間，散逸層由此而得名。據宇宙火箭資料證明，在地球大氣層外的空間，還圍繞由電離氣體組成極稀薄的大氣層，稱為“地冕”。它一直伸展到22000公里高度。由此可見，大氣層與星際空間是逐漸過渡的，並沒有截然的界限。
從大氣與地表自然環境之間關係來說，對流層具有特別重要的意義。
按大氣的化學成分
1 均勻層
指從地面到約80千米的大氣層，因其大氣各成分所占的體積百分比保持不變。均勻層的平均分子量為28.966克/摩爾，為一常數。
2 非均勻層
為80千米以上的大氣區域，不同大氣成分所占的體積百分比隨高度而變，比較輕的氣體如氧原子、氦原子、氫原子等越來越多，大氣就不再是均勻的混合了，平均分子量不再是常數。
按大氣的電離特徵
1 中性層
2 電離層
在60公里以上至1000公里的高度，這一層大氣在太陽紫外線的作用下，大氣成分開始電離，形成大量的正、負離子和自由電子，所以這一層叫做電離層，這一層對於無線電波的傳播有著重要的作用。
大氣分層圖大氣分層
對流層的電波傳播
1 視線傳播，套用於微波中，繼通信與衛星通信、超電波與微波的定位測試；
2 對流層散射傳播，套用於米波與分米波的超視距通信；
3 障礙物繞射傳播，對於短波高端、超短波和微波無線電通信電路，當電路上存在障礙物時，出現障礙繞射傳播；
4 大氣波導傳播，當對流層的折射指數梯度滿足一定條件時，對於米波至厘米波的無線電射線會出現大氣波導傳播。
大氣波導傳播
（1）在對流層的某一高度範圍內，當M指數隨高度減小，即dM/dh<0，稱為逆變層；
（2）在逆變層中，射線的真實曲率大於地球曲率，平行地面或以一微小角度入射的無線電波會向下彎曲然後從地球上反射，即超折射；
（3）可能發生的條件：溫度隨高度的逆增比標準折射時快得多而濕度的減小則快得多；
蒸發波導、對流波導、壓縮逆溫層、輻射冷卻逆溫層
電離層的電波傳播
1 雙折射現象：單一頻率波能從電離層反射得到雙重信號；
電離層電波傳導圖
電離層電波傳導圖2 地球磁場使入射波分裂為尋常波和非尋常波；
3長波和超長波在電離層傳播情況
（1）長波和超長波頻率低，能滿足發射條件，可用天波傳播；
（2）在由地面和電離層組成的波導中傳播；
（3）長波和超長波近距離是地面波和電離層波為主，遠距離是電離層波為主；
（4）長波和超長波系統天線輻射效率低，大氣噪聲電平高、信息容量小。
4 中波在電離層傳播情況
（1）地面發射的中頻電波，有延地面傳播的地波和經電離層反射的天波兩種傳播模式；
（2）採用半波和1/4波長天線發射；
5 短波在電離層傳播情況
（1）電離層對短波的吸收不如中波明顯；
（2）藉助電離層的一次和多次反射，短波可用於遠距離（或者是全球）通信；
（3）短波傳播有回波現象、漫反射現象和寂靜區。
