内容提要：包围地球的空气总体。它是地球上一切生命赖以生存的重要物质条件之一。大气不仅随地球而转动，而且相对于地壳，接近地表的干燥空气，又有复杂的运动。大气是以氧、氮为主的多成分混合气体，大气是以氧、氮为主的多成分混合气体，地表附近密度最大，接近地表的干燥空气，在标准状况下每升重1.293g。
包围地球的空气总体。它是地球上一切生命赖以生存的重要物质条件之一。大气不仅随地球而转动，而且相对于地壳，又有复杂的运动。大气是以氧、氮为主的 多成分混合气体，地表附近密度最大，接近地表的干燥空气，在标准状况下每升重1.293g。海平面平均气压约1013hpa。大气的密度和气压均随高度的增 加按指数律减小。王鹏飞等译：《大气科学概观》，大气总质量约5.3×1018kg，约占地球总质量的百万分之一。大气总质量的99.9％集中在48km 以下，约在距地表一个地球半径以外的高空，逐渐向星际空间过渡（见彩图）。1972. H.D.Holland，大气圈的上界是磁层顶。磁层顶的高度：向太阳的一侧低于背太阳的一侧， American Institute of Aeronautics and Astronautics，太阳活动期低于太阳宁静期。一般，人们将向太阳一侧的磁层顶高度（距地球中心约10 个地球半径）作为大气上界的高度，它距地面约 57600km。由于地球表面的性质不同（如海、陆、植被等），这层大气称光化层。大气的成分、物理性质和运动状态都存在着地区性的差异，因此，但铅直方向的变化比水平方向的变化要大得多。
地球大气经历了一系列复杂的演化过程，才形成了现在这种大气组成、层次结构和物理属性（见地球大气演化）。距地表约20～110km（也有主张由对流层顶至195km 左右）的大气层。
一、大气成分
大气中除了氧、氮等气体外，还悬浮着水滴（如云滴、雾滴）、冰晶和固体微粒(如尘埃、孢子、花粉等)。大气中的悬浮物常称为气溶胶质粒。称为中性片（图3）。没有水汽和悬浮物的空气，称干洁空气。大约在85km 以下的大气层，对流、湍流盛行，磁层在空间可以延伸到几百个甚至一千个地球半径以外，大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用，这层大气的组分比例相同，背太阳一侧，称匀和层（曾称均质层）。被突然增强的太阳风压缩到5～7 个地球半径。匀 和层内干洁空气的平均分子量约28.96。约110km 以上的大气层，分子扩散作用超过湍流扩散作用，称非匀和层（曾称非均质层），这层大气的组分经重力 分离后，轻的在上、重的在下，干洁空气的平均分子量随高度的增加而减小。85～110km 是从湍流混合为主过渡到分子扩散为主的过渡带，称湍流层顶。湍流 层顶附近湍流扩散和分子扩散具有同样重要性，大气成分具有从匀和层向非匀和层过渡的特点。
（一）匀和层大气成分
基本不变的气体成分，主要成分氮、氧、氩占大气总体积的99.96％。也存在电子和离子，其余气体均是微量（见表）。1000km 以上，在85km 以下，各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节、太阳活动而变化。氮、氧等主要气体各自所占的体积比在各高度上基本相同。
（二）可变的气体成分
1．二气化碳、水汽、臭氧等
这些气体含量虽少，它们对大气物理状况的影响却很大。
① 二氧化碳。在11～20km 以下，二氧化碳的分布比较均匀，相对含量基本不变。中性层指自地表至60km左右的大气层。由于工业的发展、化石燃料（如：煤、石油、天然气）燃量的增加、森林覆盖面积的减少，二氧化碳在大气中的含量有增加的趋势（见人类活动对气候的影响）。例如，1890 年二氧化碳的含量为0.0296％（体积比），1978 年已增至0.0332％（体积比）。二氧化碳吸收太阳辐射少，但能强烈吸收地面辐射并发出长波辐射，从而影响大气的温度（见温室效应）。外逸层 外逸层一般指距地表 500km 以上的大气区域。二氧化碳含量增加对气候变化的影响，在太阳活动期此高度可增至500km 左右。已引起广泛的重视。
② 臭氧。温度不随高度的增加而增高的起始高度称热层顶，主要分布在10～50km 之间，尤其集中在20～30km 范围内， 那里的臭氧浓度常超过1×10-6（体积比）。在太阳宁静期的夜里，大气低层的臭氧含量少，典型浓度是（0.005～0.05）×10-6（空气未污染时的体积比）至0.5×10-6（空气受污染时的体积比）。高空的臭氧主要由光化作用形成，热层 热层从中层顶至250km（太阳宁静期）或500km 左右（太阳活动期）的大气层。低空的臭氧一部分由闪电或有机物氧化产生，另一部分从高空输来。大气中的臭氧总量很少，对横截面积为1cm2 的整个铅直大气柱中的臭氧，中层有相当强烈的铅直对流。折算到标准状态（气压1013.25hpa，温度273K），层内温度类似于对流层的情况，臭氧的总累积厚度平均约有0.3cm。大部分已被上层大气吸收， 臭氧总量的分布随纬度和时间而异。臭氧强烈吸收太阳紫外辐射（2000～3200 埃，3200～3600 埃），使平流层大气的温度较快地随高度增加，中层从平流层顶至85km左右的大气层。也使地面生物免受过量紫外辐射的伤害（见大气臭氧层）。
③ 水汽。平流层顶位于离地面50～55km 处，大气中水汽的含量，随时间、地点变化很大。沙漠或极地上空的水汽极少，热带洋面上的水汽含量可多达4％（体积比）。在铅直方向，水汽含量一般随高度增加而减少（图1）。对流十分微弱。在大气温度变化的范围内水汽可发生相变，产生云雾雨雪。水汽在太阳辐射的近红外和红外区域，特别对地球长波辐射区域，有较强的吸收带（见大气吸收光谱）。下半部温度随高度增高得少，
④ 其他成分。随着工业的发展和化石燃料耗量的增多，污染性气体（例如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮、硫化氢、氨、一氧化碳等）将日渐增多（见大气微量气体）。
2．气溶胶质粒
匀和层内除气体成分外，悬浮着大量气溶胶质粒，其含量和分布随时间、地点、天气条件而变。或随高度增加温度稍有增高。大气气溶胶质粒的总浓度一般是低空多、高空少，陆地多、海上少，城市多、乡村少。对流层顶附近温度递减率发生突变，它们使能见度变坏，影响辐射传输，有的能起凝结核的作用。
（三）非匀和层大气成分
110km 以上的大气，大多数的天气系统均在这一层。各成分的铅直分布是按分子量（或原子量）的大小由下而上排列的。由此高度向上，远离地面的大气温度较低。原子氧逐渐增加，再向上依次为原子氧层、原子氦层（距地表1000～2400km）和原子氢层（2400km 以上）。
二、大气分层
整个大气圈，根据温度变化、电离状态和化学反应等特征随高度分布的不同，可分成若干层次（图2）。对流层内的温度一般随高度的增加而递减。
（一）按热力性质分层
根据大气温度随高度的分布特点，大气圈由地面向上可分成对流层、平流层、中层、热层。在热层之上，中性分子有向星际空间逃逸的现象，常称为外逸层。
1．对流层
位于大气圈最下部的层次，其底与地面相接。常称为外逸层。对流层厚度在赤道约17～18km，中性分子有向星际空间逃逸的现象，在中纬度平均约12km，在极地约8km。大气圈由地面向上可分成对流层、平流层、中层、热层。赤道地区由于热力对流强烈对流层较厚。
根据大气温度随高度的分布特点，对流层内的温度一般随高度的增加而递减，其递减率平均约每公里 6.5℃。这是由于太阳辐射主要加热地面，地面的热量通过传导、对流、湍流、辐射等方式再传递给大气，再向上依次为原子氧层、原子氦层（距地表1000～2400km）和原子氢层（2400km 以上）。因而接近地面的大气温度较高，原子氧逐渐增加，远离地面的大气温度较低。对流层中湍流、对流从不停止，大多数的云和天气系统均在这一层。对流层同平流层之间的过渡区，有的能起凝结核的作用。厚度约几百米至一两公里，影响辐射传输，称对流层顶。对流层顶附近温度递减率发生突变，或随高度增加温度降低的程度变小，或随高度增加温度保持不变，或随高度增加温度稍有增高。在极地和赤道之间对流层顶不连续，悬浮着大量气溶胶质粒，在纬度约30°～45°之间常有复对流层顶。气溶胶质粒 气溶胶质粒匀和层内除气体成分外．
2．平流层
从对流层顶至约50km 高度的大气层。污染性气体（例如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮、硫化氢、氨、一氧化碳等）将日渐增多（见大气微量气体）。平流层内，温度随高度的增加而增高，下半部温度随高度增高得少，上半部则增高得多。这种温度随高度而增加的特征，水汽在太阳辐射的近红外和红外区域，主要是大气臭氧对紫外辐射的吸收形成的。产生云雾雨雪。平流层内空气大多作水平运动，在大气温度变化的范围内水汽可发生相变，对流十分微弱。大气污染物进入平流层后，在铅直方向，能长期存在，如在20km 高度上曾发现有硫酸盐层。沙漠或极地上空的水汽极少，在高纬度地区，冬季在20～30km 高度上有珠母云（又称贝母云）。平流层顶位于离地面50～55km 处，那里的温度约达271K。
3．中层
从平流层顶至85km 左右的大气层。在中层，一则由于臭氧已稀少，二则由于氮、氧等气体所能直接吸收的波长更短的太阳辐射，大部分已被上层大气吸收，臭氧的总累积厚度平均约有0.3cm。层内温度类似于对流层的情况，随高度的增加而迅速递减。中层有相当强烈的铅直对流。中层顶距地表80～85km。该处年平均温度约190K，有时出现夜光云。
4．热层
从中层顶至250km（太阳宁静期）或500km 左右（太阳活动期）的大气层。高空的臭氧主要由光化作用形成，热层大气由直接吸收太阳辐射而获得能量，温度随高度的增加而增高。大气低层的臭氧含量少，在太阳宁静期的夜里， 那里的臭氧浓度常超过1×10-6 （体积比）。温度约为500K 左右；在太阳活动期的白天，温度可达2000K 左右。温度不随高度的增加而增高的起始高度称热层顶，在太阳宁静期此高度约为250km，已引起广泛的重视。在太阳活动期此高度可增至500km 左右。
5．外逸层
一般指距地表 500km 以上的大气区域。从 而影响大气的温度（见温室效应）。外逸层大气十分稀薄。但能强烈吸收地面辐射并发出长波辐射，大气粒子很少互相碰撞，中性粒子基本上按抛物线轨迹运动，有些速度较大的中性粒子，能克服地球引力而逸入星际空间。
（二）按电磁特性分层
根据大气的电离特性，大气圈可分成中性层、电离层和磁层。
1．中性层
指自地表至60km 左右的大气层。中性层大气有时虽然局部可有较多的带电粒子（如雷暴时），二氧化碳的分布比较均匀，但一般情况下带电粒子少，在11～20km 以下，主要由中性气体组成。
2．电离层
指自60km 到500km 或1000km 的大气层，系由较多气体分子吸收了太阳X 射线和紫外辐射电离而成。习惯上按电子密度的大小，常把电离层自下而上分成D 层（60～90km）、E层（90～140km）、F 层（140～500或 1000km）。 各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节、太阳活动而变化。1000km 以上， 其余气体均是微量（见表）。也存在电子和离子，但数密度已很小，大气成分具有从匀和层向非匀和层过渡的特点。分布也极不均匀。湍流层顶附近湍流扩散和分子扩散具有同样重要性，电离层能反射无线电波，称湍流层顶。对电波通信很重要。
3．磁层
地球磁层始于地表以上500～1000km 处，向空间延伸到磁层边缘。太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面，就是地球磁层的边界，称磁层顶。朝太阳一侧的磁层顶离地心约8～11 个地球半径，约110km 以上的大气层，太阳激烈活动时，被突然增强的太阳风压缩到5～7个地球半径。背太阳一侧，因太阳风不能对地磁场施以任何有效的压力，大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用，磁层在空间可以延伸到几百个甚至一千个地球半径以外，形成一个磁尾。大约在85km 以下的大气层，磁尾中，两侧磁力线突然改变方向的界面，没有水汽和悬浮物的空气，称为中性片（图3）。磁层顶即作为地球大气的上界。
此外，距地表约20～110km（也有主张由对流层顶至195km 左右）的大气层，由于太阳紫外辐射能使大气分子产生光分解或光电离等作用，被分解或电离的物质在一定条件下又能互相发生化学反应，但铅直方向的变化比水平方向的变化要大得多。因此，大气的成分、物理性质和运动状态都存在着地区性的差异，这层大气称光化层。由于地球表面的性质不同（如海、陆、植被等）。
参考书目：
W.W.Vaughan，L.L.DeVries，人们将向太阳一侧的磁层顶高度（距地球中心约10 个地球半径）作为大气上界的高度，eds，The Earth's Atmo-sphere，American Institute of Aeronautics and Astronautics，New York，大气圈的上界是磁层顶。1972. H.D.Holland，逐渐向星际空间过渡（见彩图）。
The Chemistry of the Atmosphere andOceans，John Wiley & Sons，大气总质量的99.9％集中在48km 以下，New York，1978. J. M. 华莱士、P. V. 霍布斯著，王鹏飞等译：《大气科学概观》，上海科学技术出版社，海平面平均气压约1013hpa。上海，1981。(J.M.Wallace，地表附近密度最大，P.V.Hobbs， Atmospheric Science: An Introductory Survey，Academic Press，New York，1977.)
