高中地球科學/大氣層

大氣層是分層的，這些層與大氣溫度隨高度變化的方式相對應。通過了解溫度隨高度變化的方式，我們可以學到很多關於大氣層工作原理的知識。例如，天氣發生在最低層的理由是，地球表面是大氣層的主要熱源。加熱大氣層的最底部會使暖空氣位於冷空氣之下，這是一種不穩定的情況，會導致劇烈的天氣。有趣的事情發生在大氣層的高處，比如美麗的極光，它用白色或彩色光的燦爛閃光、條紋和卷軸照亮天空。

課程目標

列出大氣層的主要層次及其溫度。
討論為什麼所有天氣都發生在對流層。
討論臭氧層如何保護地球表面免受有害輻射的影響。

氣溫

暖空氣上升：這是一個幾乎每個人都聽說過的話。但也許不是每個人都知道這是為什麼。氣體分子可以自由移動，並且分子可以佔據它們需要的任何空間。當分子冷卻時，它們會變得遲緩並且不會移動太多，因此它們不會佔據太多空間。當分子變暖時，它們會劇烈移動並佔據更多空間。在相同的分子數量下，空氣密度更低。這種較暖、較輕的空氣比其上方的冷空氣更具浮力，因此它會上升。然後較冷的空氣會下沉，因為它比其下方的空氣更密集。暖空氣上升和冷空氣下沉是一個非常重要的概念，有助於理解大氣層。

正如你在上一節中所學到的，氣體成分在我們大氣層的前 100 公里內基本相同。這意味著如果我們在整個大氣層中測量不同氣體的百分比，它基本上會保持不變。然而，氣體密度和氣壓會隨高度變化；它們基本上會隨著高度的增加而降低。隨高度變化最為顯著的特性是氣溫。與壓力和密度變化不同，氣溫變化並不規則。溫度隨距離的變化稱為溫度梯度。

大氣層根據該層中溫度隨高度變化的方式，即該層的溫度梯度（圖 15.4）被劃分為層。每層的溫度梯度是不同的。在一些層中，溫度隨高度增加，而在另一些層中，溫度會下降。每層的溫度梯度由該層的熱源決定。四個主要層中每個層不同的溫度梯度造成了大氣層的熱結構。

大氣層有幾個層。第一層是對流層。它最靠近地面，有時被稱為低層大氣。第二層是平流層，有時被稱為高層大氣。大氣層中大多數重要的過程發生在這兩層中的一個。

對流層

大約四分之三的大氣氣體存在於對流層中，因為重力將大部分氣體拉近地球表面。與大氣層其他部分一樣，99% 的氣體是氮氣和氧氣。另外 1% 是其他氣體。

對流層厚度在全球範圍內變化。赤道附近的對流層比兩極厚，因為地球的自轉傾向於將空氣移向赤道。對流層的厚度也會隨季節而變化。對流層在夏季較厚，在冬季較薄，遍佈全球。在冬季的兩極，大氣層均勻地非常寒冷，對流層無法與其他層區分開來。當我們學習臭氧層消耗時，大氣層這一特徵的重要性將變得明朗。

地球表面是對流層的主要熱源。熱量從何而來？幾乎所有的熱量都來自太陽，無論是直接還是間接。一些入射的陽光直接加熱大氣層中的氣體。但更多的陽光照射到地球的岩石、土壤和水面上，這些物體將其作為熱量輻射回大氣層，進一步加熱對流層。對流層的溫度在地球表面附近最高，並隨高度降低。平均而言，對流層的溫度梯度為每 1,000 米（每 1,000 英尺 3.6 華氏度）高度 6.5 攝氏度。

請注意，在對流層中，暖空氣位於冷空氣之下。由於暖空氣密度較小並試圖上升，因此這種情況是不穩定的。因此，對流層底部附近的暖空氣上升，對流層高處的冷空氣下沉。因此，對流層中的空氣會進行大量的混合。這種混合會導致溫度梯度隨時間和地點而變化。由於將在下一節中討論的原因，上升的空氣無法上升到對流層頂部之上。對流層中空氣的上升和下沉意味著地球上的所有天氣都發生在對流層中。

當存在溫度逆溫時，對流層中的氣溫隨高度增加，暖空氣位於冷空氣之上。這被稱為逆溫，因為通常的情況是相反的或反轉的。逆溫非常穩定，通常會持續幾天甚至幾周。逆溫通常在夜間或冬季在陸地上形成。在這些時候，地面很冷，因為幾乎沒有太陽能到達地面。在晚上，太陽不出來，在冬天，太陽的仰角很低，因此很少的太陽輻射到達地面。這種寒冷的地面會冷卻其上方的空氣，使這一低層空氣的密度高於其上方的空氣。逆溫也形成在海岸線上，那裡冰冷的海水冷卻其上方的空氣。當這種密度較大的空氣向內陸移動時，它會滑到陸地上方較暖的空氣之下。由於溫度逆溫是穩定的，因此它們通常會困住汙染物並在城市中造成不健康的空氣狀況（圖 15.5）。

**圖 15.5**：煙霧使溫度逆溫可見。煙霧被困在寒冷、密集的空氣中，該空氣位於一頂較暖空氣的帽下面。

在對流層頂部有一個薄層，稱為對流層頂。對流層頂的溫度不隨高度變化。這意味著對流層中較冷、較密集的空氣被困在平流層中較暖、較不密集的空氣之下。因此，對流層頂是一個屏障，阻止空氣從對流層移動到平流層。有時，對流層頂會出現破裂，對流層和平流層的空氣可以混合。

平流層

平流層上升到對流層頂之上。當火山噴發，塵埃和氣體進入平流層時，它會在那裡停留多年。這是因為平流層和平流層之間幾乎沒有混合。飛行員喜歡在平流層較低的部分飛行，因為那裡幾乎沒有氣流湍流。

在平流層中，溫度隨高度增加。原因是平流層的直接熱源是太陽。一層臭氧分子吸收太陽輻射，從而加熱平流層。與對流層不同，平流層中的空氣是穩定的，因為較暖、較不密集的空氣位於較冷、較密集的空氣之上。因此，該層內幾乎沒有空氣混合。

平流層的成分與大氣層其他部分相同，除了臭氧層。臭氧層位於平流層內，高度在 15 到 30 公里（9 到 19 英里）之間。臭氧層厚度隨季節和緯度而變化。臭氧層中存在的臭氧量很小，每百萬個空氣分子只有幾個分子。儘管如此，臭氧的濃度比大氣層其他部分高得多。臭氧層極其重要，因為平流層中的臭氧氣體吸收了大部分太陽的有害紫外線 (UV) 輻射。

臭氧是如何做到這一點的？穿過臭氧層的高能紫外線將臭氧分子 O₃ 分解成一個氧分子 (O₂) 和一個氧原子 (O)。這個過程吸收了太陽最有害的紫外線。臭氧也在臭氧層中重新形成：氧原子與 O₂ 分子結合形成 O₃。在自然情況下，相同量的臭氧不斷地被創造和破壞，因此臭氧層中的臭氧量保持不變。

臭氧層非常有效，以至於最高能量的紫外線，即UVC，根本無法到達地球表面。一些第二高能量的紫外線，即UVB，也被阻擋了。最低能量的紫外線，即UVA，則穿過大氣層到達地面。這樣，臭氧層就保護了地球上的生命。高能紫外線可以穿透細胞並破壞DNA，導致細胞死亡（我們知道這是一種嚴重的曬傷）。地球上的生物不適應強烈的紫外線照射，這會殺死或損傷它們。如果沒有臭氧層來反射UVC和UVB，地球上大多數複雜的生命都無法生存太久。

平流層之上是稀薄的平流層頂，它是平流層下方和中間層上方的邊界。平流層頂距離地球表面約50公里。

中間層

中間層的溫度隨高度下降。由於中間層中吸收太陽輻射的氣體分子很少，因此這裡的熱源來自其下方的平流層。中間層非常寒冷，尤其是在其頂部，大約為-90°C（-130°F）。

中間層中的空氣極其稀薄：99.9%的大氣質量位於中間層以下。因此，氣壓非常低。雖然氧氣相對於其他氣體的含量與海平面相同，但氣體量非常少，因此氧氣也很少。穿過中間層的人會遭受來自紫外線的嚴重灼傷，因為提供紫外線保護的臭氧層位於其下方的平流層中。而且幾乎沒有氧氣可以呼吸！更奇怪的是，沒有保護的旅行者的血液會在正常體溫下沸騰，因為氣壓太低。

儘管空氣稀薄，但中間層中仍然有足夠的氣體，使流星在進入大氣層時燃燒（圖15.6）。氣體與下降的流星產生摩擦，產生其尾部。有些人稱它們為“流星”。中間層之上是中間層頂。只有宇航員穿過中間層頂。

熱層

熱層從中間層升起。國際空間站（ISS）位於熱層的上部，距離地球約320至380公里（圖15.7）。

宇航員在熱層中會遇到什麼？熱層的溫度可以超過1000°C（1800°F），因為該層中的氧分子吸收了短波長太陽能。然而，儘管有這些高溫，國際空間站外的空氣仍然感覺很冷。這是因為氣體分子數量很少且分佈稀疏，它們很少與其他原子碰撞，因此幾乎沒有能量轉移。分子的密度非常低，一個氣體分子可以行進約1公里才會與另一個分子碰撞。

熱層內包含電離層。電離層之所以得名，是因為氮氣和氧氣分子被太陽輻射電離。在電離過程中，中性帶電分子吸收來自太陽的高能短波長能量。這導致分子失去一個或多個電子並變成帶正電的離子。釋放的電子以電流的形式在電離層中傳播。由於存在自由離子，電離層具有許多有趣的特性。

您是否曾在開闊的公路上發現過來自數百公里外的AM廣播電臺？無線電波在夜間可以傳播如此遠的原因與電離層有關。白天，電離層的較低部分會吸收無線電波的一些能量，並反射一些能量回到地球。但在晚上，波浪會從電離層反射回來，然後回到地面，然後再反彈回去。由於電離層中的電離現象，這種情況在白天不會發生。這種上下反彈使無線電波能夠傳播很遠的距離。

電離層最壯觀的特徵是夜間的極光。在極地地區，許多夜晚都可以看到帶有條帶、弧線或霧狀輝光的壯觀燈光表演。燈光可以是白色、綠色、藍色、紅色或紫色。這種現象被稱為北半球的北極光或北極光（圖15.8）。在南半球被稱為南極光或南極光。

極光是由太陽上發生的巨大風暴引起的，這些風暴會釋放大量的質子和電子。這些帶電粒子在太空中飛行，並沿著地球磁場線螺旋前進。地球磁場將帶電粒子引導到兩極，這解釋了為什麼主要在極地地區才能看到極光。當質子和電子進入電離層時，它們會激發氧氣和氮氣分子，使其發光。每種氣體都會發出特定的顏色光。根據它們在大氣中的位置，氧氣會發出綠色或紅色光，氮氣會發出紅色或藍色光。當太陽發生更多磁暴時，極光的頻率和強度會增加。

大氣層最外層是外層空間。外層空間沒有真正的外邊界。如果您繼續遠離地球，氣體分子最終會變得非常稀疏，以至於您將進入外層空間。由於外層空間中幾乎沒有重力來束縛氣體分子，因此它們有時會逃逸到外層空間。在大氣層之外是太陽風。太陽風是由高速粒子組成的，主要是質子和電子，它們從太陽快速向外傳播。

課文總結

不同的溫度梯度在大氣中形成了不同的層。最底層是平流層，這裡包含了大部分大氣氣體和地球上所有的天氣現象。
平流層從地面獲得熱量，因此溫度隨高度下降。暖空氣上升，冷空氣下降，因此平流層是不穩定的。
在平流層中，溫度隨高度升高。平流層包含臭氧層，它保護地球免受太陽的有害紫外線照射。較高的層包含很少的氣體分子，非常寒冷。

複習問題

為什麼暖空氣會上升？
為什麼氣溫不會像氣壓那樣隨高度均勻下降或上升？請舉例說明不同的可能情況。
大氣層中哪裡和什麼時候沒有真正的分層？為什麼這種現象很重要？
描述地面是如何作為平流層的熱源的。能量的來源是什麼，能量發生了什麼？
逆溫層有多穩定？為什麼？逆溫層是如何形成的？
為什麼平流層和對流層的空氣不能自由混合？
平流層的熱量來自哪裡？吸收這些熱量需要什麼？
描述臭氧層中臭氧的產生和損失過程。在正常情況下，哪一個發生得更多？
“流星”是如何以及在哪裡產生的？
為什麼沒有保護的旅行者的血液會在中間層的正常體溫下沸騰？

詞彙表

極光: 一種壯觀的燈光表演，發生在靠近兩極的電離層中；在北半球被稱為北極光或北極光，在南半球被稱為南極光或南極光。
外層空間: 大氣層的最外層，這裡的氣體分子非常稀疏，一些分子偶爾會逃脫地球的重力並飛入外層空間。
逆溫層: 對流層中的一種情況，暖空氣位於冷空氣之上。
電離層: 熱層中包含的一個電離層；大氣層的倒數第二層。
中間層頂: 大氣中稀薄的過渡層，是中間層和熱層的邊界。
中間層: 平流層和熱層之間的大氣層；溫度隨高度下降。
臭氧層: 平流層中臭氧氣體濃度較高的一個層。
太陽風: 從太陽飛過太陽系的快速質子和電子。
平流層頂: 平流層和中間層之間的大氣層稀薄的過渡層。
平流層: 大氣層的第二層，由於存在臭氧，溫度隨高度升高。
溫度梯度: 溫度隨距離的變化。
熱層: 大氣層的倒數第二層，這裡的氣體分佈非常稀疏。
平流層: 大氣層的最底層。
紫外線輻射: 來自太陽的高能輻射；有三種類型的紫外線輻射：UVA、UVB和UVC。波長最短，因此最危險的是UVC。

思考要點

太陽能如何形成大氣層？
太陽能如何產生天氣？
如果臭氧層中的臭氧減少，地球上的生命會是什麼情況？

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