地球大气层结构

地球大气层是指构成通常所说的“空气”的所有气体的层。随着海拔升高，空气压力和大气密度都会降低。温度可能遵循或不遵循这一趋势。谈到地球大气层的结构，它根据海拔范围分为5层。

这五层分别是：对流层（海拔0到12公里）、平流层（海拔12到50公里）、中间层（海拔50到80公里）、热层（海拔80到700公里），以及最外层的散逸层（海拔700到10,000公里）。大气结构中还存在一些次要层，例如臭氧层（位于平流层内），海拔15到35公里；电离层（因太阳辐射而电离的区域），海拔50到1000公里，在夜间会减弱；均质层（气体混合均匀），通常高达100公里；非均质层（气体混合不均匀），从海拔100公里延伸至大气层最外层；以及行星边界层（直接影响地球生命的对流层部分），海拔100米到3000米。

对流层

对流层是地球大气层的最低层，在我们的环境中扮演着至关重要的角色。它吸收了大部分太阳热量，并包含生命所需的大部分气体，约占大气总质量的80%。地球上几乎所有的水蒸气都存在于这一层，这也是我们每天经历天气变化和模式的原因。

在对流层顶部，有一个叫做“对流层顶”的边界。这个边界的特点是温度突然变化，被称为温度倒置或等温区。对流层顶部的温度通常会降至-60°C左右。这使得对流层不仅对生命至关重要，而且对理解和预测天气也至关重要。

平流层

平流层是地球大气层的第二层，位于对流层之上。在这一层，大气压力急剧下降，约为海平面压力的1/1000。平流层最重要的特征之一是臭氧层，它在保护地球表面免受太阳有害紫外线（UV）辐射方面发挥着关键作用。

随着我们在平流层中上升，温度也会升高。温度升高是因为臭氧层吸收紫外线辐射，这使得平流层上部的温度升至约0°C。虽然大多数云形成并停留在下面的对流层中，但有时云也会出现在平流层下部。

平流层还值得注意的是，它是商用飞机能够到达的最高层，使其能够飞越对流层中大多数天气扰动和湍流。

中间层

地球大气层的第三层。它始于平流层顶——温度随高度增加达到最大的边界。在中间层，温度随高度升高而下降，直到到达中间层顶边界，那里的平均温度降至零下85°C到零下100°C左右，成为地球上最冷的地方。由于极低的温度，水蒸气凝结成夜光云（由冰晶颗粒组成的云）。大多数坠向地球的流星都在中间层内燃烧殆尽。

热层

地球大气层的第四层，也是第二高层。热层从中间层顶边界开始，一直延伸到热层顶，那里温度随海拔迅速升高。然而，由于热层顶依赖太阳活动，其任何变化都可能导致该边界发生变化，范围从500公里到1000公里海拔。这也意味着热层延伸的区域具有高度可变性。热层的下部（海拔80到550公里）容纳着电离层。热层中的温度可随海拔升高至大约1500°C。有趣的是，尽管温度如此之高，但触摸起来并不会感到热。

这是因为空气密度极低，分子需要长途跋涉（例如，氧分子需要1公里）才能与其他分子碰撞，从而阻止了足够的热量传递，使其触摸起来不热。水蒸气不存在于这一层，但这里是极光和国际空间站的所在地。

外逸层

地球大气层中最高、最外的一层。它始于高度可变的热层顶，并延伸至另一个由太阳风和星际介质形成的微弱边界。其上限也高度可变，不同的资料来源对其上限的界定各不相同，范围从10,000公里到190,000公里。空气密度极低，仅由氢、氦、氮、二氧化碳和氧等气体组成。

空气密度如此之低，以至于分子需要比热层多数百倍的距离才能相互碰撞。大多数时候，这些分子无法相互碰撞，最终发生大气逃逸。据估计，由于大气逃逸，地球每秒损失3公斤氢气和少量其他大气气体。由于边界的可变性，来自热层的极光可能会在散逸层的下部重叠。

次要层

• 臭氧层

平流层内存在着一个被称为臭氧层的关键层。与低层大气相比，这一层的臭氧浓度相对较高，尽管与空气中的主要成分相比仍然非常微小。这里的臭氧浓度通常在百万分之二到百万分之八之间。

臭氧层主要存在于平流层的下部，大约距离地球表面15到35公里。然而，臭氧层的厚度并非恒定不变，而是随季节和地理位置而变化。值得注意的是，地球大气层中约90%的总臭氧都存在于平流层中。

• 电离层

电离层，一个大气层，被太阳光线充电。这个特殊的区域在美丽的极光形成中扮演着关键角色。白天，电离层延伸至地球表面上方50到1,000公里（31到621英里；160,000到3,280,000英尺），它包含了中间层、热层甚至部分散逸层。

然而，一旦夜幕降临，中间层的电离作用减弱，极光仅限于热层和低层外逸层。本质上，电离层在磁层内充当边界，塑造着地球的保护盾。

均质层和非均质层

均质层和非均质层根据气体混合方式对地球大气层进行分类。在均质层中，包括对流层、平流层、中间层和热层下部，由于湍流作用，气体混合良好。

这意味着无论分子的重量如何，气体都能均匀混合。这个均质层延伸到湍流顶，大约在地球表面上方100公里处，标志着与太空的边界，并得到FAI的认可。这个边界大约在中间层顶上方20公里处。

湍流顶上方是非均质层，其中包括散逸层和大部分热层。在非均质层中，气体成分随海拔变化。这是因为粒子在不碰撞的情况下长距离运动，使得它们可以根据分子量分层。

因此，较重的气体，如氧气和氮气，在非均质层的下部边界附近发现。相反，非均质层的上部主要由最轻的元素氢组成。均质层和非均质层之间的这种区别有助于我们理解气体在地球大气层中不同高度的分布情况。

• 行星边界层

行星边界层 (PBL)，有时也称为大气边界层 (ABL) 或近地层，就像大气的底层。它是直接接触地球表面的最低层空气。可以将其视为空气与地球表面直接的界面。在地球上，这一层对地表从太阳获得的能量变化反应迅速，变化在60分钟内生效。在PBL内，空气流速、温度和湿度等因素变化很大，而且通常变化非常快。这一层相当湍流，这意味着物质总是在垂直方向上混合和移动。

PBL之上是我们所说的“自由大气”，那里的风主要沿着气象图上称为等压线的模式平行移动。但在PBL中，风的行为不同，因为它与地面以及地上的物体（如树木和建筑物）摩擦。白天，PBL倾向于充分混合，但在夜间，它会沉降并变得更加稳定，混合作用减少。

行星边界层的厚度变化很大。有时，在平静晴朗的夜晚，它可能只有约100米高。但在炎热干燥的下午，特别是在空气中水分不多的地方，它可高达3000米。