简述大气的结构和组成

一、大气的组成

大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分：干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒。干洁空气的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳气体，其含量占全部干洁空气的 99996% （体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占 0004% 左右，如表 5 － 1 所示。

由于空气的垂直运动、水平运动以及分子扩散，使得干洁空气的组成比例直到 90 － 100km 的高度还基本保持不变。也就是说，在人类经常活动的范围内，任何地方干洁空气的物理性质是基本相同的。例如，干洁空气的平均分子量为 28966 ，在标准状态下（ 27315K ， latm ）密度为 1293kg /m3。

大气中的水蒸汽主要来自海水的蒸发，少量来自江河、湖泊水的蒸发以及因土壤、植物的蒸腾作用。大气中的水汽含量，随着时间、地点、气象条件等不同而有较大变化，在正常状态下其变化范围为 002-6% 。大气中的水汽含量虽然很少，但却导致了各种复杂的天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等。这些现象不仅引起大气中湿度的变化，而且还引起热量的转化。同时，水汽又具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面的保温起着重要的作用。

大气中的悬浮微粒，除水汽凝结物如云、雾滴、冰晶等，主要是大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质。

二、大气圈的结构

根据大气在垂直方向上温度、化学成分等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动状况，可将大气圈分为五层（图 5 － 1 ）。

（一）对流层

对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为 17 ～ 18km ；在中纬度地区为 10 ～ 12km ；两极附近高纬度地区为 8 ～ 9km 。夏季较厚，冬季较薄。

这一层的显著特点：一是气温随高度升高而递减，大约每上升 100m ，温度降低 06 ℃ ～ 065 ℃ 。由于贴近地面的空气受地面辐射增温的影响而膨胀上升，上面冷空气下沉，故在垂直方向上形成强烈的对流；二是密度大，对流层虽然相对于大气圈的总厚度来说很薄，但是它的质量却占大气总质量的 3/4 以上。

（二）平流层

对流层顶到 50km 的大气层为平流层。在平流层下层，即 30 ～ 35km 以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；在 30 ～ 35km 以上，温度随高度升高而升高。这是因为，在高约 15 ～ 35km 的范围内，有厚约 20km 的一层臭氧层。因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，同时在紫外线的作用下可被分解为原子氧和分子氧。当它们重新化合生成臭氧时，可以热的形式释放出大量的能量，使平流层的温度升高。平流层能大量吸收紫外线，使地球生物免受紫外线的照射，同时又对地球起保温作用。平流层的空气没有垂直对流运动，平流运动占显著优势，空气比对流层稀薄得多且干燥，水汽、尘埃的含量甚微，大气透明度好，很难出现云、雨等天气现象。

（三）中间层

从平流层顶到 80km 高度的一层称为中间层，该层空气更为稀薄，有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降，该层顶部温度可降至 -83 ～ -113 ℃ 。

（四）热成层

从 80km 到约 500km 的高空称为热成层。该层的下部基本上是由分子氮所组成，而上部是由原子氧所组成。原子氧层可吸收太阳辐射出的紫外光，因而在这层中的气体温度随高度增加而迅速增加。层内温度很高，昼夜变化很大。由于太阳和宇宙射线的作用，该层大部分空气分子发生电离，使其具有较高密度的带电粒子，故又称为电离层。电离层能反射地面发射的电磁波，对地面的无线电通讯起到十分重要的作用。

（五）逸散层

热成层以上的大气层作为逸散层，该层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逸散层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层被碰撞出地球重力场而进入太空逸散。对逸散层的高度还没有一致的看法，实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。该层的温度也是随高度增加而略有增加的。

从地面到12000米高空，是大气层最底部的一层，也是最稠密的一层，它的下部就是各种生物活动的中心。在这一层里的空气，因压力和温度的变化促使空气流动，从而产生了变化万千的气候，这一层就是对流层。

从5万米到100万米高空称为电离层，也叫暖层。这里的空气更稀薄，它的底部的密度只有海平面上空气的百万分之一。在这里空气处于电离状态，即由于紫外线的照射使电子游离出来成为自由电子，而原子核也成为带电的离子，故而称为电离层。

地球的大气层由五大层构成，层与层之间有些有明显的界限或过渡层。大气没有外边缘——只是向外逐渐变薄，直到距地表3100英里(5000千米)的地方，再向外则是真空了。以此为边界向内延伸便是外逸层，它主要是由氢原子组成。

大气中原子间由于离得很远，所以很难相互碰撞，甚至在绕地球一周之后也不会碰到其他原子。这些原子以惊人的速度运动，温度高达4500°F(2500℃)。

贴近地表处，大气密度增大，气压随各大气层气体的增多而升高。在外逸层之下是电离层。

在电离层的底部，两气体分子之间的距离超过05英里(08千米)。接下来便是中间层，由氦原子和氧原子组成。在这一层中，如果没有特殊的设备仍无法呼吸。

接下来是平流层。平流层含有能吸收来自太阳紫外线的臭氧层。在这一层中，不时的会出现一些高耸的云层，由于对流作用使得这一层很平静，适合于飞机飞行。

平流层通过对流层顶过渡到对流层。这一层顶距两极点5英里(8千米)，距赤道则增厚到10英里(16千米)。99%的气体分子都集中在最低的19英里(31千米)范围内。在这个范围内，气体分子几乎每移动1／300万英寸(0000008厘米),就要和另一分子碰撞，这些气体分子有氧分子、氮分子以及水汽，二氧化碳和其他一些气体。这些分子相互碰撞时所产生的能量不断地进行传递，从而产生了气流——风的来源，这正是全球的气候模式的根本原因。

1 大气成分

地球大气是由多种气体、固态及液态悬浮的微粒混合组成的。大气中的主要气体包括N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及 O3。此外，悬浮在大气中的微粒有尘埃、冰晶、水滴等，这些弥散在大气中的悬浮物统称为气溶胶，形成霾、雾和云。以地表面为起点，在 80km 以下的大气中，除 H20、O2等少数可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，所以把 80km 以下的大气层称为均匀层。在该层中大气物质与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射衰减的主要原因。

2 大气结构

遥感所涉及的空间范围包括地球的大气层和大气层外的宇宙空间。地球大气层包围着地球，它没有确定的上限，一般取其厚度为 1000km。大气在垂直地表方向上依次可划分为对流层、平流层、中气层、热层 ( 也称增温层) 和大气外层 ( 图 2-11) 。

( 1) 对流层: 该层内经常发生气象变化，是现代航空遥感主要活动的区域。由于大气条件及气溶胶的吸收作用，使电磁波传输受到减弱。因此，在遥感中侧重研究电磁波在该层内的传输特性。

( 2) 平流层: 该层内电磁波的传输特性与对流层内的传输特性是一样的，只不过电磁波传输表现较为微弱，不同的是在该层内没有明显的上下混合作用。

( 3) 中间层: 该层内气温随高度增加而递减，大约在 80km 处气温降到最低点，约170 K，是整个大气圈的最低气温。

( 4) 热层: 也称为增温层，该层内气温随高度增加而急剧递增。该层对遥感使用的可见光、红外直至微波波段的影响较小，基本上是透明的。该层中大气十分稀薄，处于电离状态，故称为电离层，正因为如此，无线电波才能绕地球作远距离传递。热层受太阳活动影响较大，它是人造地球卫星绕地球运行的主要空间。

( 5) 散逸层 ( 大气外层) : 离地面 1000km 以上直至扩展到几万千米，与星际空间融合为一体，层内空气极为稀薄，并不断地向星际空间散逸，该层对卫星运行基本上没有影响。

大气层可分为几个层，对流层、平流层、中间层、热层、电离层，而对我们关系最密切的是从10-12公里以内的这一层空气对流层，主要天气现象云、雨、雪、雹等都发生在这一层里，而北极光出现在离地面80-500公里这些区域里，500公里以上叫外大气层，也叫磁力层，是大气层向星际空间过渡的区域。

通常把1000千米之内，即电离层之内作为大气的高度，即大气层厚1000千米

大气的组成，在120公里以下的高空中，大气的主要组成为：氮分子占7800%（N2）和氧分子占（O2）2025%的均匀混合体，其次为093%的氩（Ar）与003%的二氧化碳（CO2）。

再其次的组成元素（按含量的递减而排列）为氖、氦、氪、氙、氢、氯、氧化亚氮、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、氨、一氧化氮及碘。

二氧化碳及臭氧在大气中的含量虽然很少，但它们确是大气中之重要成分，因为二氧化碳可保持环境温度，臭氧则可防止太阳的某种有害人类之短波辐射至地面。

大气中的水蒸汽及微尘之含量，则是随高度之增加而降低，它们对于大气之变化，都有重要的作用。

它们可使天气有雨、云、雾等的变化。

大气组成元素的分布，在120公里以上的高空，随原子量的不同而异。

在120公里以下的高空，大气组成为氮分子及氧分子的混合气体；由120公里至1000公里，氧原子占主要位置；1000至2500公里为氮层，2500公里以上的太空中为氢气，而且氢气由此一直延伸至星际太空中。

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