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Earth’s Atmosphere
Layers of Earth’s Atmosphere

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文章目錄

• 地球大氣（Earth's atmosphere）簡介
• • 地球大氣的氣體成分
• 地球大氣的垂直分層
• • 對流層（Troposphere）[^1]
  • 平流層（Stratosphere）[^2]
  • 中間層（Mesosphere）[^3]
  • 熱層（Thermosphere）[^4]
  • 外逸層（Exosphere) [^5]
• 電離層[^6]

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地球大氣（Earth’s atmosphere）簡介

地球大氣是指一層包覆著我們地球家園的氣體混合物，它不僅供我們呼吸，還通過多種方式幫助地球上生物得以生存。它為我們遮擋了大部分太陽發射的有害紫外輻射，通過溫室效應使得地球表面溫度維持在約33° C攝氏度（59° F華氏度），此外它極大程度阻止了晝夜溫度出現巨大落差。

地球大氣的氣體成分

氮氣（Nitrogen ，N2）和氧氣（oxygen ，O2）是迄今為止最主要的大氣氣體，干空氣中，約78%是氮氣，約21%是氧氣。氬氣（Argon），二氧化碳（carbon dioxide ，CO2)和許多其他氣體也是大氣的組成部分，但是含量相對低很多，每一種氣體占大氣混合氣體的比例都不到1% 。大氣層也包含水蒸氣（water vapor）。水蒸氣的存在方式變化多樣，但是平均來說約占1%左右。大氣里也包含很多固態和液態的小顆粒（small particles），“漂浮”在大氣中。科學家稱這些微粒為“氣溶膠（aerosols）”，包括灰塵（dust），孢子（spores）和花粉（pollen），浪花帶入的鹽分（salt from sea spray），火山灰（volcanic ash），煙（smoke）以及其他等。

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地球大氣的垂直分層

如果從地面向高空運動，海拔越高，地球大氣越稀薄（密度低，壓力小），直至過渡至外太空的真空狀態。地球大氣沒有具有精確界限的“頂層”，在海拔100-120千米的地球大氣中，空氣變得十分稀薄，基于多種原因，此高度的地球大氣可以被認為是地球大氣和外太空的邊界區域。盡管如此，在離地面高度幾百千米或英里的高空處，依然存在稀薄但可被有效追蹤的地球大氣氣體。

地球大氣垂直方向上分成多個層（layer），每層都有其獨有的溫度，壓力和現象。從地面開始向上，其分別被稱為對流層（troposphere），平流層（stratosphere），中間層（mesosphere），熱層（thermosphere）以及外逸層（exosphere）。其中外逸層逐漸消失，進入星際空間（realm of interplanetary space）。

對流層（Troposphere）¹

對流層是地球大氣最低的一層，該層包含了地球大氣大部分的質量（約75~80%）。大部分類型的云都可以在此層中發現，所有的天氣現象也都發生在此層。對流層是迄今為止地球大氣最濕潤的一層，在此之上的其他層水汽含量都很微弱。

對流層的最下面是地球表面，最上面向上延展最高可達海拔約10km（6.2英里或是33,000英尺）。對流層的厚度不僅會因緯度變化而變化（在兩極處最薄，在赤道處最厚），還會因季節不同而不同（冬季最薄，夏季最厚）。在赤道附近，對流層最厚，可以達到20km，而在冬季的兩極處，對流層最薄，僅有7km。

在地面附近的對流層底部，空氣溫暖，隨著海拔高度的升高，空氣溫度變冷，這也是為什么高山頂在炎熱的夏日依然被積雪覆蓋。空氣壓力和密度也隨著海拔增高而遞減，因此高空飛行的噴氣式飛機客艙內需要增壓。

對流層上的鄰近層稱作平流層，二者之間的邊界被稱為"對流層頂"(tropopause）。

This diagram shows some of the features of the troposphere.
Credit: Randy Russell, UCAR

平流層（Stratosphere）²

平流層是地球大氣的第二層（從下往上數），其下是對流層，其上是中間層。在中緯度地區，平流層的底部約在海拔10km處（6.2英里或約33,000英尺）。平流層頂部約在海拔50km處。平流層底部的海拔高度隨著緯度和季節變化而變化。在赤道附近，底部海拔高度可達20km，而在冬季的兩極，底部海拔高度僅有7km。平流層的底部邊界被稱為“對流層頂”，頂部邊界被稱為“平流層頂”。

臭氧，這種平時不常見的氧氣分子，在平流層的分布卻相對豐富，它能夠吸收太陽發射的紫外光輻射從而讓平流層升溫。在平流層內垂直移動，越向上溫度越高，這與我們居住的對流層（越向上溫度越低）特性完全相反。由于溫度的這種特性，平流層內很少出現對流，層內氣流相當穩定。商業噴氣式飛機就飛行在平流層的下層區域，從而避開在對流層中經常遇到的湍流（turbulence)。

平流層非常干燥，空氣里水蒸氣含量很低，因此平流層很少有云，幾乎絕大部分的云都在海拔更低、更加濕潤的對流層，除了極地平流層云（Polar stratospheric clouds， PSCs）。極地平流層云發生在地球兩極冬季的平流層低空區域，一般是海拔15-25km的高空，而且只有氣溫降至-78° C以下時才會發生。這種云通過“鼓勵”某種可以破壞臭氧的化學反應，似乎有助于形成臭名昭著的臭氧層空洞。極地平流層云也被稱為“珍珠云”（nacreous clouds）。

在平流層的頂部，空氣比海平面稀薄大約1000倍，因此噴氣式飛機和氣象探空氣球在平流層即達到了其工作的極限高度。

由于沒有垂直湍流，被帶入平流層的物質可以長時間保持其所在高度，這就是化學物質氯氟烴（chlorofluorocarbons，CFCs）如何破壞臭氧層的。大型火山噴發和隕石撞擊會將氣溶膠粒子拋向平流層，在那里它們可能會逗留數月或數年，有時會改變地球的全球氣候；火箭發射也會將尾氣排放進平流層，從而產生不確定的后果。

地球大氣中各種類型的波浪和潮汐均影響著平流層，一些將能量從對流層輸送到平流層，另一些則將能量從平流層傳遞到中間層。大氣波浪和潮汐影響著平流層的空氣流動，也會引起區域性的平流層溫度上升。

平流層中有一種罕見的放電現象，有點像閃電，這些“藍色噴流（blue jets）”出現在雷暴上空，從平流層底部延伸到海拔40或50公里（25至31英里）的高度。

This diagram shows some of the features of the stratosphere.
Credit: Randy Russell, UCAR

中間層（Mesosphere）³

中間層在地球大氣中位于平流層的正上方和熱層的正下方，其范圍位于海拔50km到85km。此層中溫度隨著高度上升而下降，地球大氣中的最低溫度（約-90° C ）就位于此層的頂部附近。中間層和熱層的邊界稱為中間層頂（mesopause），在中間層的底部是平流層頂，它是中間層和下面平流層之間的邊界。

中間層很難研究，氣象探空氣球和其他飛行器不能飛到足夠高的高度到達中間層，而衛星的軌道高于中間層，不能直接測量這一層的特征，因此對這一層大氣的了解比其他層都要少。科學家們利用探空火箭上的儀器直接對中間層大氣進行取樣，但這種方式飛行時間很短，而且探測頻度也很低。由于直接用儀器測量中間層很困難，關于中間層的許多事情仍然處于未知狀態。

大多數流星在中間層被汽化，一些來自流星的物質滯留在中間層，導致這一層有相對高濃度的鐵和其他金屬原子。

一種非常奇怪的高空云，稱為“夜光云（noctilucent clouds）”或“極地中間層云（polar mesospheric clouds）”，有時在兩極附近的中間層形成。這些奇特的云形成的高度比其他類型的云要高得多。中間層和它下面的平流層一樣，與我們生活的潮濕的對流層相比要干燥得多，這使得這種云層的形成有點出乎意料。類似閃電的奇怪放電，稱為“小精靈（sprites）”和“小妖精（ELVES）”，偶爾出現在對流層雷云上方數十公里（英里）的中間層。

平流層和中間層有時一起被稱為中層大氣。在中間層頂（中間層的頂部）和下面，由不同類型的原子和分子組成的氣體被大氣中的湍流完全混合在一起。在中間層以上的熱層和熱層以外，氣體粒子碰撞非常罕見，以至于氣體根據其所含化學元素的類型而變得有些分離。

大氣中的各種波浪和潮汐影響著中間層，這些波浪和潮汐將能量從對流層和平流層向上輸送到中間層，驅動了該層中的大部分全球環流。

This diagram shows some of the features of the mesosphere.
Credit: Randy Russell, UCAR

熱層（Thermosphere）⁴

熱層在地球大氣中位于中間層的正上方和外逸層的正下方，其范圍從地球上空約90km（56英里）延伸到500至1000km（311至621英里）。

在熱層的較低區域（低于200至300公里的高度），溫度隨高度急劇上升，然后在高于該高度后，溫度變得相當平穩。太陽活動強烈影響熱層的溫度，白天通常比晚上熱200°C（360°F）；太陽活躍期比平時熱500°C（900°F）。熱層上部的溫度范圍約為500°C（932°F）至2000°C（3632°F）甚至更高。

熱層與其上方的外逸層之間的邊界稱為熱層頂。在熱層的底部是中間層頂，它是熱層和下面中間層之間的邊界。

盡管熱層被認為是地球大氣的一部分，但這層的空氣密度非常低，以至于大部分熱層就是我們通常認為的外太空。事實上，最常見的定義是，外太空（space ）起始于100km（62英里）的高度，略高于中間層頂，位于熱層的底部。航天飛機和國際空間站都在熱層內環繞地球運行！

在熱層下面，由不同類型的原子和分子組成的氣體被大氣中的湍流完全混合在一起。低層大氣中的空氣主要由大約80%的氮分子（N2）和大約20%的氧分子（O2）組成。在熱層和熱層以上，氣體粒子碰撞的頻率非常低，以至于氣體根據其所含化學元素的類型而變得有些分離。來自太陽的高能紫外線和X射線也能分解熱層中的分子。在上層熱層中，原子氧（O）、原子氮（N）和氦（He）是空氣的主要成分。

來自太陽的大部分X射線和紫外線輻射都被熱層吸收。當太陽非常活躍并發出更多高能輻射時，熱層變得更熱，擴張或“膨脹”。因此，熱層的頂部（熱層頂）的高度不斷變化。在海拔500公里到1000公里或更高的地方都發現了熱層頂（thermopause）。由于許多衛星的軌道在熱層內，由于熱層的加熱和膨脹引起的軌道高度上空氣（非常非常稀薄）密度的變化會對衛星產生阻力。工程師在計算軌道時必須考慮到這種變化的阻力，衛星有時需要被提升到更高的位置以抵消阻力的影響。

高能太陽光子也會將電子從熱層中的氣體粒子中分離，產生帶電的原子和分子，即帶電離子。地球的電離層（由幾個包含大氣層中離子化粒子的區域組成），與電中性的熱層在空間上重疊。

和海洋一樣，地球的大氣也有波浪和潮汐。這些波浪和潮汐有助于在大氣層內（包括熱層）移動能量。風和熱層的整體環流在很大程度上是由這些潮汐和波浪驅動的。與電中性氣體碰撞而被拖拽運動的離子在熱層的某些部分產生強大的電流。

最后，極光（南極光和北極光）主要發生在熱層。來自太空的帶電粒子（電子、質子和其他離子）與高緯度熱層中的原子和分子碰撞，激發它們進入更高的能量狀態。這些原子和分子通過發射光子釋放出多余的能量，也就是我們看到的彩色極光。

The aurora (Northern Lights and Southern Lights) mostly occur in the thermosphere.
Credit: Image Science & Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center

外逸層（Exosphere) ⁵

外逸層是地球大氣中最上層的區域，它逐漸消失在外太空的真空中。外逸層的空氣是極其稀薄，在許多方面，它幾乎與外太空的真空環境一樣。外逸層正下方是熱層，兩者之間的邊界稱為熱層頂。外逸層的底部有時也被稱為外逸層底（exobase）。外逸層底部邊界的高度是變化的，在太陽黑子周期的頂峰時期，太陽處于活躍狀態，來自太陽的X射線和紫外線輻射會加熱并“膨脹”熱層——將熱層頂的高度提高到離地球表面1000公里（620英里）的高度；在太陽黑子周期的低點時期，當太陽較不活躍，太陽輻射就不那么強烈，熱層頂退到離地球表面約500公里（310英里）的范圍內。

并不是所有的科學家都同意外逸層是地球大氣的一部分。一些科學家認為熱層是地球大氣的最上層，認為外逸層實際上是外太空。然而，其他科學家確實認為外逸層是我們星球大氣的一部分。

由于外逸層逐漸過渡至外層空間，故這一層沒有清晰的上邊界。一種關于外逸層最外層極限的定義可達大約190,000公里（120,000英里）處，約為地月距離的一半。在此距離處，太陽光的輻射壓力比地球引力對氫原子施加的力都要大。在10萬公里（6.2萬英里）的高空，衛星探測到了最高層大氣中氫原子由于紫外線輻射而散射的微弱發光，此發光被稱為“地冕（geocorona）”。

在外逸層之下，大氣中的分子和原子不斷地相互碰撞，而在外逸層，空氣過于稀薄到，這樣的碰撞非常罕見。外逸層中的氣體原子和分子沿著“彈道軌跡（ballistic trajectories）”運動，這讓人聯想起一個投擲的球的弧形軌跡（或是發射的加農炮彈！），因為在重力的牽引下軌道會逐漸向地球彎曲。在外逸層中，大多數氣體粒子沿著彎曲的軌跡快速運動，且不會撞到其他原子或分子，最終由于引力的作用而落入低層大氣。然而，一些速度更快的粒子并沒有返回地球，而是飛到了太空！每年有一小部分大氣以這種方式“泄漏”到太空中。

補充閱讀： 知乎：為什么大氣層不會因外部宇宙的真空而擴散殆盡？

盡管從技術上講，外逸層是地球大氣層的一部分，但在許多方面，它是外層空間的一部分。包括國際空間站（ISS）在內的許多衛星都在外逸層或其下的空間內運行。例如，國際空間站的平均高度約為330公里（205英里），位于外逸層以下的熱層中！盡管在熱層和外逸層中的大氣非常非常稀薄，但仍有足夠的空氣對在這些層內軌道運行的衛星造成輕微的阻力，這種阻力使航天器在其軌道上的速度逐漸變慢，這樣它們最終會脫離軌道進入大氣層燃燒殆盡，除非采取一定的措施將其向上提升保持軌道高度。國際空間站每月因這種“軌道衰變（orbital decay）”而損失約2公里（1.2英里）的高度，必須通過火箭發動機定期向上推進，才能使其保持在軌道上。

電離層⁶

地球大氣層包含一系列區域，這些區域有相對大量的帶電原子和分子。作為一個整體，這些區域統稱為電離層。

來自太陽的高能X射線和紫外線不斷地與地球高層大氣中的氣體分子和原子碰撞。其中一些碰撞將電子從原子和分子中分離，產生帶電離子（失去電子的原子或分子）和自由電子。這些帶電的離子和電子的運動和行為與正常的、電中性的原子和分子不同。離子和自由電子濃度較高的區域出現在幾個不同的高度，它們被統稱為電離層（ionosphere）。

電離層主要有三個區域，稱為D層、E層和F層。這些區域沒有明顯的邊界，它們出現的高度在一天中都在變化，也會隨著季節變化而有所不同。D區是最低的，從距地面約60或70公里（37或43英里）開始，向上延伸至約90公里（56英里）。下一個更高的是E區域，從大約90或100公里（56或62英里）開始，一直延伸到120或150公里（75或93英里）。電離層的最上部，F區，從大約150公里（93英里）開始，向上延伸，有時高達500公里（311英里）以上的地球表面。

電離層區域不像更熟悉的對流層和平流層，被認為是地球大氣內獨立的一層，相反，它們是嵌入在標準大氣層中的電離區。D區一般位于中間層上部，E區一般出現在熱層的下部區域，F區出現在熱層上部區域。

電離粒子的高度、密度，甚至電離層不同區域的存在與否都隨時間而變化。電離層在白天和夜間差異非常大。白天，太陽發出的X射線和紫外線不斷地提供能量使電子脫離原子和分子，從而持續產生帶電離子和自由電子。與此同時，一些離子和電子碰撞并重新結合，形成正常的、電中性的原子和分子。白天，產生的離子多于被破壞的離子，因此這三個區域的離子數量增加。夜間，由于沒有陽光照射，重新結合成電中性粒子的過程占主導，離子數量下降。在大多數夜晚，D區完全消失，而E區由該層離子數量驟降而變薄。每天早晨，當太陽的X射線和紫外光再次照射，D和E區域重新充滿了離子。最高海拔的F區在整個夜間都存在，但在白天通常分為一個上層的F2層和一個下層的F1層。

在衛星通信普及之前，無線電通信系統的運營商經常利用電離層來擴大其傳輸范圍。無線電波通常是直線傳播的，所以除非一個高的發射塔能“看到”接收塔的頂部，否則對于那些不在地平線之上的無線電臺，地球的曲率限制了無線電波的傳播范圍。然而，在某些電離層中，無線電波的某些頻率被該層的帶電粒子上反彈或是反射。因此，衛星通信出現以前，無線電通信經常利用這一現象，將無線電波從“天空”反射出去，以擴大信號的范圍。無線電運營商必須考慮到電離層的固有變化，特別是白天和夜間電離層的移動或消失，以便有效地利用無線電波的鏡面反射。

電離層區域可以吸收或抑制無線電信號，或者彎曲無線電波，以及如上所述的反射信號。具體的行為取決于無線電信號的頻率以及所涉及電離層區域的特性。由于全球定位系統（GPS）衛星使用無線電信號來確定位置，當這些信號通過電離層區域時會發生彎曲，從而使得GPS的精度嚴重降低。類似地，如果使用的頻率是電離層完全衰減或吸收的頻率，則某些無線電通信可能會干擾，從而導致信號減弱，甚至完全失去通信。科學家們持續地測量和制作能夠代表不斷變化的電離層的計算模型，以便負責無線電通信的人能夠預測干擾情況。

科學家們以各種方式利用無線電波探測和監測原本看不見的電離層。地面和衛星上的各種無線電天線和雷達系統被用來監測不斷變化的電離層。無線電天線“監聽”電離層本身產生的無線電信號，雷達系統向電離層的不同區域發射信號，通過比對原始發射器信號和接收器收到的通過電離層的發射器信號，從而分析這些信號被抑制或重定向的程度。

隨著電離層的每日波動，在這一組復雜的區域中也有季節性和長期的變化。由于地軸的傾斜，陽光強度會因地而異，由此產生不同緯度地區季節性的溫暖和涼爽。同樣，由于太陽的X射線和紫外光強度峰值點所在地理位置不斷變化，從而使得離子產生速率也是因地而異，當峰值點在全球移動時，就產生了電離層的季節變化。大氣季節性的化學變化也發揮一定作用，影響著從大氣中去除離子的復合事件的發生率。從長期來看，11年的太陽黑子周期對包括電離層在內的大氣層上層有著強烈的影響。在可見光波段，太陽的亮度在黑子周期的高點和低點之間變化不到1/1000；然而，太陽的X射線和紫外線輸出在整個太陽周期中變化大得多，波動幅度為10倍或更多。由于這些X射線和紫外輻射控制了電離層離子的形成速率，因此輻射強度的巨大變化導致電離層區域離子密度的巨大變化。此外，太陽耀斑和太陽日冕物質拋射所引發的大型地磁風暴會對電離層造成嚴重的暫時性干擾。

Regions of the ionosphere, showing the D, E and F layers.
Credit: UCAR Center for Science Education staff (Randy Russell)

The End

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The Stratosphere - overview ??

The Stratosphere - overview ??

The Mesosphere - overview ??

Thermosphere - overview ??

Exosphere - overview ??

The Ionosphere ??

總結

以上是生活随笔為你收集整理的地球大气层简介与垂直分层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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