大氣分層

就整個地球來説，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，那麼在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%都集中在高於海平面16公里以內的空間裏，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佔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説比人造的真空還要“空”，但是在那裏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。根據人造衞星探測資料的推算，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。

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：

1、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。根據氣温的垂直分佈、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。

對流層是大氣的最下層，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。

對流層中集中了75%的大氣質量和90%以上的水汽質量，主要的天氣現象如雲、雨、雷電等都發生在這一層。此層有三個最主要的特徵：

①、氣温隨高度的增加而降低。這是因為，對流層空氣增熱主要依靠地面的長波輻射，愈近地面，空氣受熱愈多，反之愈少。平均每上升100米氣温下降0.65℃。當然，在個別情況下，在某個層次內温度不隨高度而下降，甚至隨高度的增大而升高的情形也是有的。

②、具有強烈的對流運動。這是由於地面不均勻加熱所引起的。通過這種對流運動，使高層和低層的空氣進行交換，近地面的熱量、水汽和其他雜質能向高層輸送，這對於興雲致雨有着重要作用。在近赤道地區，對流發展旺盛，所及高度大，對流層厚度也大；反之，在近極地區域，對流較弱，所及高度小，對流層厚度也較低。

③、天氣現象複雜多變。由於對流層中空氣有垂直對流和水平運動，水汽和雜質含量均多，隨着氣温變化，可產生一系列的物理過程，形成複雜的天氣現象。有時晴空萬里，有時烏雲密佈，有時狂風暴雨……，這一切都發生在對流層內。因此，對流層與地表自然界和人類關係最為密切 ^[1]  。

對流層內部根據温度、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，氣温日變化大，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，氣温經常保持在0℃以下，雲都由冰晶或過冷水滴所組成。

自對流層頂向上55公里高度，為平流層，本層的氣流運動相當平穩，以水平運動為主，現代民用航空飛機都在平流層飛行。其主要特徵：①温度隨高度增加由等温分佈變逆温分佈：平流層的下層隨高度增加氣温變化很小，大約在20公里以上，氣温又隨高度增加而顯著升高，出現逆温層，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，從而使氣温升高，並大致在50公里高空形成一個暖區，到平流層頂，氣温約升到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。

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，其氣温隨高度增加變化很小，甚至沒有變化，它抑制着對流層內的對流作用進一步發展。

從平流層頂到85公里高度為中間層。其主要特徵：①氣温隨高度增高而迅速降低，中間層的頂界氣温降至-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，故氣温隨高度增加而遞減。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。

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%。其主要特徵：①隨高度的增高，氣温迅速升高。據探測，在300公里高度上，氣温可達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，從而使其增温。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。

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，氣温也隨高度增加而升高。由於氣温很高，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。

2、按大氣的化學成分

按大氣成分隨高度分佈特徵，可分為均勻層和非均勻層，這種劃分是以距海平面80千米的高度為界限的。

指從地面到約80千米的大氣層，因其大氣各成分所佔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。

為80千米以上的大氣區域，不同大氣成分所佔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。

3、按大氣的電離特徵

按大氣被電離的狀態來劃分，可分為電離層和中性層。

又稱非電離層 ，在海平面以上60公里以內的大氣，基本上沒有被電離處於中性狀態的大氣層。

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着重要的作用。

1、對流層的電波傳播：（1）視線傳播，應用於微波中，繼通信與衞星通信、超電波與微波的定位測試；（2）對流層散射傳播，應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，對於米波至釐米波的無線電射線會出現大氣波導傳播。

2、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：温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；

3、電離層的電波傳播：不同頻段的電波通常受不同層的電離層反射或折射。短波段的電波，在電離層中受到折射和吸收，但在一定條件下能由電離層反射回到地面。中頻段電波，在電離層D層（50~ 90km）和E層（90~130km）中受到吸收，在F層（130km以上）中反射。長波和超長波波段的電波，通常在電離層低層的下緣被反射。甚高頻段的電波可透過電離層，但仍可利用它在電離層中發生的散射進行通信。 ^[2]