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來源：互聯網

地球大氣層（atmosphere）又稱為大氣、氣圈或大氣圈。是指在地球引力的作用下，大量氣體聚集在地球周圍，形成深厚的大氣圈層。它是地球最外部的氣體圈層，包圍著海洋和陸地。

地球之所以擁有大氣層是因為重力。大氣層的形成與地球的演化過程密切相關，大致經過地球形成階段、大氣圈由還原性氣氛變為氧化性氣氛和生命形成三個階段。

探空火箭在3000公里高空仍發現有稀薄大氣，有人認為，大氣層的上界可能延伸到離地面6400公里左右。大氣層的總質量約為5.14x1018kg，密度隨著高度的增加而減少，絕大部分質量位于很低的高空。在海拔3000千米以內，大約每升高10米，大氣壓減小100Pa。超過50千米之后，壓力的變化十分微弱。大氣層的主要成分為干潔空氣、水汽和固體雜質，其中干潔空氣是大氣的主體。按照大氣層的各種氣體體積分數分類，主要成分為氮(78%)、氧(21%)、氬(0.93%)、二氧化碳(0.03%)和水蒸氣等。

根據大氣圈的溫度變化情況，可劃分為對流層（Troposphere）、平流層（Stratosphere）、中間層（Mesosphere）、熱層（Thermosphere）和外逸層（Exosphere）。不同層面的分界并不明顯，會受不同的經緯度的影響。按大氣的化學成分，可劃分為均質層和非均質層；按大氣被電離的狀態，可劃分為非電離層和電離層。

地球大氣層所含的水、二氧化碳、氧氣、臭氧等是生命存在的基本成分，尤其是氧氣對于人類的生存最為重要。大氣參與地球表面的各種過程，使得地表的物質交換和能量轉化得以進行，而且對氣象和氣候有著重要影響。大氣層保護地球生物免遭太陽的有害輻射，并減少地球極端溫度，還能阻擋大部分流星體對地球表面的撞擊。另外，大氣層可以傳遞聲波，有助于地球人類進行語言交流。大氣層在氣象研究、航空航天和領空主權等領域有著重要應用。

大氣層的定義

大氣層又稱大氣圈，是因重力關系而圍繞著地球的一層混合氣體，是地球最外部的氣體圈層，包圍著海洋和陸地。大氣圈沒有確切的上界，在離地表2000~16000千米高空仍有稀薄的氣體和基本粒子。在這個氣體包層中，存在著幾個不同的同心層。超過這個高度，空氣變得過于稀薄，則無法視作氣體。在地下，土壤和某些巖石中也會有少量氣體，它們也可認為是大氣圈的組成部分。

發現歷程

由于測量不同高度的大氣層，需要人類或者飛行器能達到相應的高度，因此測量不同高度的大氣層與人類航空航天器的發展緊密相連。在18世紀，通過爬山，科學家們發現大氣的溫度會隨著高度的上升一直減小，于是就根據高度和溫度的關系計算出大氣層高度的極限是30千米。1749年，英國科學家威爾遜將小型溫度計綁在風箏上，將其放飛到1000多米的高空中進行科學試驗，從而第一次測到了低層大氣的溫度，并取得一些重要的理論數據。1783年，人類發明熱氣球之后，就有科學家乘坐熱氣球去實際測量大氣的溫度，發現直到10千米左右的高空大氣的溫度都是隨著高度的升高而降低；10千米以上的高空，氧氣過于稀薄，氣溫也十分低。在當時缺乏保護措施的情況下，科學家已無法乘坐熱氣球前往更高的高度。

到20世紀初，探空氣球的發明給科學家的科研活動提供了新的可能。1902年，法國和德國的科學家利用探空氣球幾乎同時發現，在超過10千米的高空后不久，大氣的溫度并沒有一直降低，反而會有上升，這就是平流層的發現。由于20世紀初發明的探空氣球不可能達到這么高的高度，因此關于更高氣層的研究一直無法進行。1928年，蘇聯的莫爾恰夫發明了無線電探空儀，隨后于1930年在白俄羅斯首次完成對平流層的無線電探空儀觀測。20世紀前半期，是近代大氣科學發展的一個重要階段，形成了以皮葉克尼斯、帕爾門等人牽頭的氣象學的挪威學派，以及以卡爾-古斯塔夫·羅斯貝為首的芝加哥學派，提出了不穩定波動理論、斜壓不穩定理論、正壓不穩定理論和大氣長波的頻散理論等。“第二次世界大戰”后，科學家們借助基于V2火箭的高空火箭技術，研究平流層以上大氣的性質。由此，科學家們發現在中間層，大氣層的溫度又會隨著高度的增加而減小，因此這一層是和平流層不同的大氣層。中間層的高度一直持續到80-90千米左右，這個高度僅比V2火箭的最大飛行高度低一點。因此，人類發明航空火箭和人造衛星之后，科學家才有機會探索中間層以上大氣的性質。

大氣層的形成過程

地球之所以擁有大氣層是因為重力。地球大氣層的形成與地球的演化過程密切相關，大致經過地球形成階段、大氣圈由還原性氣氛變為氧化性氣氛和生命形成三個階段。

地球形成階段

大約在45億年前，宇宙星云中的物質在引力的作用下聚集成不同的團塊，其中形成一顆熔融的行星地球。它的外面包圍著一層原始大氣，其成分主要是氫氣（H2）、氦氣（He），并含有氮氣（N2）、水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2）等。隨著地球逐漸冷卻凝固，表面形成了地殼，而被吸附或包藏在地球內部的一些液體和氣體則通過火山活動的形式逸出地球表面。逸出的氣體主要是氫氣、水蒸氣和一氧化碳（CO）。由于地殼相對是冷的，氣體一到表面就很快冷卻，其中大部分水汽凝結成水，形成水圈。一氧化碳和二氧化碳則還原為甲烷（CH4），氮氣也部分還原為氨氣（NH3）。這個階段，大氣的主要成分是甲烷、氫氣，次要成分是水蒸氣、氮氣、氨等，大氣圈處于還原性氣氛之中。大約30億年之后，出現光合作用系統進化，意味著單細胞動物可以利用太陽的能量將二氧化碳和水分子轉化為糖和氧氣，水的光化學分解使得大氣中的氧氣含量逐漸增長。

大氣圈由還原性氣氛變為氧化性氣氛

由于大氣中的水蒸氣持續凝結入海洋，二氧化碳與地殼礦物反應。當氫氣分壓降到很低時，還原性氣體化合物如甲烷、氨開始氧化成二氧化碳、氮氣，惰性大的氮氣積聚起來。這一階段，生命有機體開始出現在狹窄的水體或大海邊緣。由于沒有足夠的氧，有機體在映氧的條件下利用二氧化碳供給能量，制造出糖類與蛋白質，同時開始了光合作用產生氧氣。由于所產生的氧氣繼續被地面巖石或水中沉積物俘獲，所以這個階段氧氣仍不能積聚，但大氣的成分已由還原性轉化為氧化性。

大氣圈今日面貌的形成

這也是地球演化過程中的生命形成階段，與平流層中臭氧（O3）層的形成密切相關。由于氧氣分子的存在，它能吸收由太陽輻射來的高能量光子，發生臭氧反應。臭氧可以吸收大量的短波太陽輻射而分解，或與原子氧作用，形成氧氣。由于這些反應循環往復，致使在平流層高度形成臭氧分子濃度相對較高的臭氧層。在臭氧層形成之前，整個地球表面受到高能量太陽光子的蹈射，生物分子很難形成。

大氣層的結構特征

地球大氣層的厚度在1000-3000千米之間，從地球表面一直往外延伸到外層空間，其外界沒有明確的邊界，并不會在到達某個高度后突然進入太空。根據美國國家大氣研究中心的數據，大氣層的總質量約為5.14x1018kg。大氣層的密度是隨著高度的增加而不斷減少，最后變得非常低，但不會是零。在100千米的高空，大氣密度約為地面的200萬分之一；在200千米的高空；大氣密度只有地面的百億分之一；超過300千米之后的高空，大氣的密度會低于地面密度的千億分之一。由于大氣層的密度隨著高度的增加而減小，大氣層的質量也不是均勻分布，絕大部分質量都位于很低的高空。由于地心引力作用，幾乎全部的氣體集中在離地面100千米的高度范圍內，其中75%的大氣又集中在地面至10千米高度的對流層范圍內。大氣質量越往上越稀薄，隨高度上升，氣壓逐漸降低。在海拔3000千米以內，大約每升高10米，大氣壓減小100Pa。超過50千米之后，壓力的變化十分微弱。

大氣層的成分

環繞地球的大氣是由多種氣體組成的混合物，主要成分為干潔空氣、水汽和固體雜質。

干潔空氣

大氣中除去水汽和固體雜質外的整個混合氣體就是干潔空氣，是大氣的主體，平均約占低層大氣體積的99.97%（水汽平均約0.03%，雜質可忽略）。干潔空氣的成分中，氮氣占大氣總量的78%，氧氣占大氣總量的21%。此外，有1%的大氣成分是微量氣體，包括二氧化碳、甲烷、氬（Ar）等。

水汽

水汽是呈氣態的水。大氣中的水汽來源于地面水體和陸地表面的蒸發與植物的蒸騰，其含量因時因地而異，按容積計算其變化范圍在0~4%之間，熱帶多雨地區可達4%，寒冷干燥地區幾乎為零。水汽垂直分布主要集中在離地面2~3千米的大氣層中，高度愈高，水汽愈少。

固體雜質

懸浮在大氣中的固體雜質包括煙粒、塵埃、鹽粒等，其半徑一般在10-2~10-3 cm。固體雜質集中分布于低層大氣中。固體雜質來源于城鄉生產、生活方面的燃燒，土壤中的微粒，火山噴發產生的火山灰，流星燃燒所產生的細小微粒和海水飛濺揚入大氣后而被蒸發的鹽粒等。

大氣分層

根據大氣圈的溫度變化

根據大氣圈的溫度變化情況，可劃分為四層：對流層（Troposphere）、平流層（Stratosphere）、中間層（Mesosphere）、熱層（Thermosphere）、逸散層。不同層面的分界并不是很明顯，會受不同的經緯度的影響。

對流層是貼近地表的一層，大氣質量約3/4集中在這一層。其厚度在不同的緯度有所不同，在赤道附近厚度達16千米，在中緯度是10~20千米，在兩極只有8千米左右。這一層大氣具有大規模的對流運動，垂直亂流混合劇烈，受地面影響顯著。該層大氣含有水汽和塵埃，具有隔熱作用，可阻止地表熱量的散發。影響地球生物的一切氣候現象，都發生在對流層。

大氣邊界層通常指大氣底部直接受地球表面影響的氣層，其高度約為1～1.5千米。大氣邊界層的響應時間尺度小于1小時，是地球各個圈層相互作用的關鍵區域。受地面熱力與動力影響，該層大氣運動具有明顯的湍流性質，并且湍流過程對熱量、動量和水汽的垂直輸送導致氣象要素呈現顯著的日變化，因此多尺度大氣邊界層過程在中尺度氣象模式、大氣環流模式、天氣預報模式、氣候預測模式以及大氣環境質量預報模式中，都具有十分重要的作用。

平流層處于對流層頂到50~55千米的高度。由于該層大氣垂直對流不強，主要是平流運動，因而稱為平流層。平流層可分為低層和高層。低層處于11-25千米，氣層比較平穩，溫度開始變化不大，空氣溫度可達到-60°C，上層可逐漸升溫至0.8°C。高層處于25-50千米，在大約45千米的高度溫度為0°C。這種氣溫反差現象，是因為平流層存在大量的臭氧，會吸收大量的紫外線輻射，溫度就會逐漸升高。臭氧層位于15-20千米到55-60千米的高度之間。平流層的頂層通常被稱為“近太空”。

從平流層頂至80~85千米為中間層，該層的空氣很稀薄，空氣的垂直對流強烈，突出的特征是氣溫隨高度增加而迅速降低，頂部氣溫可達-83°C。

熱層又稱為暖層，處于從中間層頂往上進入非均質層，大約距地球表面100~800千米。該層最突出的特征是，當太陽光照射時，太陽光中的紫外線被該層中的氧原子大量吸收，因此溫度升高，故稱暖層。熱層的氣溫急劇上升，最高可達1100~1650°C。

外層距地表800千米以上，為向宇宙空間的過渡層，其上界為2000~3000 千米。該層又稱為散逸層，由帶電粒子組成，因而又稱為電離層（Ionosphere）。該層越往上，地球引力越小，空氣越稀薄。地球資源衛星多處于這一層。

根據大氣的化學成分

按大氣的化學成分劃分大氣層，是以距地平線90公里的高度為界限的。在90公里高度以下，大氣為均勻的混合狀態，組成大氣的各種成分相對比例不隨高度而變化，這一層大氣被稱為均質層。在90公里高度以上，組成大氣的各種成分的相對比例，隨高度的升高而發生變化，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狀態，這一層大氣被稱為非均質層。

根據大氣被電離的狀態

根據大氣被電離的狀態，大氣層可劃分為非電離層和電離層。在海平面以上60公里以內的大氣，基本上未被電離，處于中性狀態，這一層大氣被稱為非電離層。在地平線60公里以上至1000公里高度的大氣，在太陽紫外線的作用下，大氣成分開始電離，形成大量的正、陰離子和自由電子，這一層大氣被稱為電離層，該層大氣對于無線電的傳播有著重要的作用。

大氣層對地球的影響

保障地球生命存在

地球大氣中存在含有水、二氧化碳、氧氣、臭氧等使生命存在的基本成分，其中所包含的氧氣對于人類的生存最為重要。沒有大氣就沒有生物，如果地球沒有大氣層，生命形式就不會存在。地球的大氣層就是生命，是整個生物系統不可分割的一部分。大氣不停地運動，使得地表的物質交換和能量轉化得以進行，從而保護地球生物系統的正常生活和繁衍。

影響地球氣候

常規天氣和氣候現象

大氣參與地球表面的各種過程，如水循環、化學和物理風化、陸地上和海洋中的光合作用及腐敗作用等，各種波動、流動和海洋化學也都與大氣活動有關。發生在天空中的風、云、雨、雪、霜、露、閃電、打雷等一切大氣的物理現象形成“氣象”。地球與大氣之間長期的能量交換和質量交換過程形成“氣候”，也即氣象要素的長期平均狀態。

水汽是大氣中唯一能發生相變（即汽態、液態、固態的相互轉化）的成分，當水進行形態轉換時，會產生熱量的吸收或釋放，影響大氣的運動形式，從而產生各種天氣和氣候現象，水汽在其中起著主導作用。此外，水汽能強烈地吸收地面輻射，也能放射長波輻射，對地表和大氣的溫度有顯著的影響。固體雜質能充當水汽凝結的核心，是大氣水汽凝結的必要條件。它能吸收部分太陽輻射，又能削弱太陽直接輻射和阻擋地面長波輻射，對地面和大氣的溫度變化產生了一定的影響。此外，大氣中的雜質、微粒聚集在一起，直接影響大氣的能見度。

溫室效應

來自太陽的熱量以短波輻射的形式到達地球外空間，然后穿越大氣層到達地球表面。地球表面吸收這些短波輻射熱量后升溫，升溫后的地球表面反而向大氣釋放長波輻射熱量，這些長波熱量很容易被大氣中的溫室氣體吸收，這樣就使得地球表面的大氣溫度升高，從而產生溫室效應。假若沒有溫室效應，地球上的季節溫差和晝夜溫差就會很大，地球表面的溫度將會處于低寒狀態，不適宜人類生存。但是由于人類活動釋放大量的溫室氣體，使得大氣中溫室氣體的濃度急劇升高，造成溫室效應不斷加劇，全球平均氣溫逐年升高，導致全球氣候變暖，產生一系列全球性氣候問題。

其它方面

地球上的人類居住在大氣的底層。地球大氣層作為一個屏障，過濾了大部分太陽輻射，從而減少地球極端溫度。同時，可以阻止有害于地球生物的輻射線進入地球。位于20千米～30千米的臭氧層，可以隔絕100%的UVC、90%的UVB、50%的UVA。而且，大氣層可以阻擋大部分流星體對地球表面的撞擊。另外，大氣層處在不停的運動之中，這層空氣可以傳遞聲波，有助于地球人類進行語言交流。

重要事件

NASA觀測拍攝大氣層

2018年8月26日，美國國家航空航天局（NASA）公布了一張通過戈達德地球觀測系統拍攝的衛星圖像，它顯示了2018年8月23日地球上各種顆粒在大氣層中的運動情況。衛星圖像較清晰地顯示出大量的煙霧飄過北美洲和非洲上空，三個熱帶氣旋在太平洋上運動，以及大量的塵埃云吹過非洲和亞洲的沙漠。

聯合國機構發布氣候變化公告

2022年11月，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）公開發布了《氣候變化2021：公眾摘要》。其中表明，2011年至 2020年，地球表面的平均溫度比19世紀末的平均溫度高1.1℃，并且比過去12.5萬年的任何時候都高。全球變暖增溫速度顯著，比過去兩千年來的任何時候都快。由于人類排放，大氣中的溫室氣體含量持續上升，二氧化碳濃度處于200萬年來的最高水平，甲烷和一氧化二氮的濃度達到80萬年來最高水平。

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