地球/4f. 為什麼山頂很冷？
似乎高山山峰的頂部應該更溫暖，因為太陽更靠近山頂。那麼為什麼地球上的山頂比低海拔地區更冷呢？海拔和溫度之間這種奇怪的關係是地球大氣的一個迷人方面。大氣的溫度分佈隨海拔高度而變化，這是因為佔據地球大氣不同層的大氣氣體的吸收以及陽光在地球表面的吸收所致。
想象一個實驗，用一個代表太陽的燈照射到代表地球的下方表面。如果該表面是光的完美反射體（反照率 = 1），比如鏡子，那麼你越靠近燈泡，它就會越暖和。最冷的地方會在鏡子旁邊，離燈泡最遠的地方。
現在假設該表面是灰色的（反照率 = 0.12），只有 12% 的光反射回太空。在這種情況下，表面會吸收來自光的光能，並且表面會隨著時間的推移而變暖。因此，燈泡和表面之間的最冷點將不再是表面，而是在表面上方某處。這個冷點或拐點稱為停滯層。在這個灰色表面上的小山丘，隨著你接近表面上方的這個較冷的層（或停滯層），其溫度會隨著海拔高度的升高而降低。月球是缺乏大氣層的這種簡單型別行星體的例子，它的反照率很低，為 0.12。月球表面在極冷和極熱溫度之間振盪，夜間溫度降至 -150 攝氏度以下，低於乾冰的凝固點，白天溫度遠高於 106 攝氏度，高於水的沸點。這種巨大的振盪和每日溫度範圍是由於月球表面上方氣體缺乏任何陽光吸收造成的。當太陽照射在月球表面時，溫度會飆升，當月球背離太陽時，溫度在黑暗中驟降。如果沒有大氣層，地球也會出現類似的巨大溫度振盪。
氧氣在地球大氣溫度中起著重要作用。氧氣、氮氣和氬氣是地球上最豐富的氣體。氧氣阻擋來自太陽的紫外線（高能）光。像地面上方的第二個表面一樣，這些氣體在平流層頂部附近（距地球 50 公里）被太陽的高能紫外線加熱。臭氧阻擋了更多進入的紫外線陽光，導致一層更溫暖的區域。這層位於地球表面上方的溫暖層被稱為平流層頂，標誌著平流層的頂部。平流層頂下方空氣的密度更大。這層區域的上方和下方溫度較低，導致這層地球大氣高處加熱區域的上下方出現兩個冷層。如果大氣中缺乏氧氣或其他吸收高能紫外線的光線的氣體，則溫度分佈將缺少這兩個不同的冷層，並且只有一個冷層。大氣中氧氣和臭氧的存在導致平流層頂下方，在平流層高處溫度升高。請注意，與地球表面相比，平流層頂的溫度仍然相當低，達到約 -15 攝氏度，但這比大氣中的兩個非常冷的層要高得多。對流層頂，大約位於地球表面上方 15 公里處，溫度降至 -51 攝氏度，而位於平流層上方 80 公里的中間層頂則更冷，為 -100 攝氏度。這三個層，兩個冷層：中間層頂和對流層頂，以及一個暖層：平流層頂，將大氣分為四層；最低層是對流層，然後是平流層、中間層，以及最高層熱層，熱層擁有地球大氣中最高的溫度，但壓力最低。
作為大氣層最接近地球的層，以及我們呼吸和生活其中的層，對流層是包含地球大部分天氣的層。術語“tropos”意為變化，大氣層中這最低的區域由於天氣而經歷了許多變化。由於靠近地球表面，它也是大氣層中較溫暖的層之一。對流層厚約 8 至 14 公里，具體取決於您在地球上的位置。在赤道附近凸起，在兩極附近較薄。作為我們呼吸的空氣，空氣在這層大氣中密度最大，尤其是在海平面附近。對流層中的空氣由 78% 的氮氣、21% 的氧氣和 1% 的氬氣組成，還包含水蒸氣、二氧化碳、甲烷和其他溫室氣體。這些較重的氣體分子在地球表面附近更豐富。由於這些氣體吸收紅外光，因此它們有助於保留地球表面釋放的大部分熱量。雲和水蒸氣在對流層中含量最高，雲很少在距地球表面 15 公里以上的地方形成。對流層中的溫度隨海拔高度的升高而降低，從地表的平均 15 攝氏度降至頂部的 -51 攝氏度。這種下降導致山峰比山谷要冷得多。對流層內的空氣是包括人類在內的動物唯一可以呼吸的空氣。
如果您乘坐過飛機，大多數商用飛機都會在平流層底部附近保持巡航高度，即地面以上 33,000 英尺到 42,000 英尺，或 10 公里到 13 公里，正好位於下方被雲覆蓋的世界之上。該高度的溫度很冷，平均溫度降至接近 -60 攝氏度。平流層中的氣壓急劇下降，從 226 毫米汞柱（30 千帕斯卡）到平流層頂部的 1 毫米汞柱（0.146 千帕斯卡）。氣壓非常低，以至於平流層中的大多數氣體分子分佈得非常稀疏，人類甚至鳥類都無法呼吸這種空氣。由於這些低壓，平流層中不會形成雲，因為大部分水蒸氣都侷限於下方的對流層。然而，平流層內的溫度隨海拔高度升高而升高，因為它是氧氣形成臭氧的重要層。氧氣、氮氣和氬氣將這些氣體帶到地球上空的高海拔地區，並且平流層頂部標誌著來自太陽的紫外線的關鍵吸收點。由於吸收了來自太陽的這些高能波長的光，平流層頂部的溫度升高。
中間層厚 35 公里，約 22 英里，氣壓降至微不足道的 0.17 毫米汞柱（或 0.02 千帕斯卡），中間層頂附近的氣壓甚至更低。在這麼高的大氣層中發現的氣體分子很少。氦 (He) 和氫 (H2) 氣體等輕分子在中間層中變得更加豐富，但在這些極低的壓力下，原子也開始電離。通常成對鍵合的氧氣，會像 O−2 離子一樣分離，氮氣 N−3 也是如此。中間層中的溫度隨海拔高度降低，在頂部附近變得極其寒冷。由於中間層中散射光的氣體很少，因此天空看起來更暗，幾乎與外太空一樣暗。“Meso”意為中間，地球上空還有另一層厚厚的大氣層。
熱層通常被認為是外太空。熱層中的空氣密度非常低，類似於外太空的黑暗。大多數科學家將熱層與太空的邊界設定在地球上方約100公里的位置，這也在熱層內。熱層是迄今為止研究的最厚的大氣層，厚度為90公里（56英里）。氣壓非常低，因此該層接近真空狀態，類似於外太空，但它確實包含許多帶電的氣體離子。由於這些離子與來自太陽的高能紫外線和伽馬射線相互作用，因此熱層內的溫度會升高。白天，陽光將熱層上層加熱到2000攝氏度，而夜間熱層頂部的溫度降至500攝氏度。熱層頂部之所以被加熱，是因為地球大氣邊緣這些帶電離子的相互作用。熱層也是一個非常危險的地方。在如此高的溫度下，航天器很容易被燒燬和損壞。例如，哥倫比亞號太空梭在重返熱層時，這些高溫大氣氣體能夠穿透隔熱罩並破壞了機翼內部結構，導致太空梭解體，於2003年2月1日造成7名機組人員喪生。
熱層高處的氣體受到來自太陽的X射線、伽馬射線和紫外光的電離，導致電子離開原子。這些高電荷粒子在熱層中接近真空的壓力下迴圈。這些帶電粒子（孤立的電子、質子和中子）碰撞並被激發到更高的能級，釋放光子。這種光子的發射可以從地球表面觀察到，呈現出五彩繽紛的極光現象。鑑於這些帶電粒子的電磁吸引，它們傾向於聚集在地球的磁極附近，即北磁極和南磁極的高空。
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在一些黑暗的夜晚，足夠多的這些帶電粒子會被激發併發射光子，從地球表面可以觀察到夜空中壯觀的綠色光顯示。 北極光或北極光，以及南極光或南極光，可以在地球表面的高緯度地區觀察到，特別是在太陽活動高發的無雲夜晚。
一些大氣科學家將熱層稱為電離層，因為它是大氣中存在帶電粒子的區域。熱層/電離層的研究非常重要，因為該層中常見的帶電粒子會影響遠端無線電傳輸。媒體通常將熱層中帶電粒子變化的觀測稱為太空天氣。
外層空間是指最外層大氣，其密度非常低，以至於氣體分子和離子之間不會相互作用，壓力接近真空，類似於太空。外層空間可能主要由氦和氫組成，但對這一區域知之甚少。它始於距地球表面約600公里（374英里）處。低地球軌道衛星跨越熱層和外層空間邊界，高度在距地球180至2000公里之間。國際空間站，其低軌道高度為距地球409公里，實際上是在熱層高處繞地球執行。大多數GPS衛星在中地球軌道上執行，高度約為距地球20200公里（12552英里）。地球同步軌道衛星透過與地球自轉同步繞地球執行，因此從地球表面來看，一顆地球同步軌道衛星在一恆星日後會精確返回天空中的同一位置。地球同步衛星對於全球無線電和蜂窩電話通訊非常重要，這一概念最初由科幻小說作家阿瑟·克拉克提出，他在20世紀40年代提出了高空衛星的想法。第一次使用地球同步衛星進行的電話通話發生在1963年8月23日，通話雙方是美國約翰·肯尼迪總統和奈及利亞總理阿布巴卡爾·塔法瓦·巴勒瓦，這兩位後來都在任職期間遇刺身亡。大多數地球同步軌道的軌道高度約為距地球表面35786公里（22236英里）。
地球同步軌道中一種非常特殊的型別是地球靜止軌道，其中衛星與地球的自轉速度相匹配。通訊衛星通常放置在地球靜止軌道上，這樣蜂窩塔就不需要旋轉來跟蹤這些衛星，而是可以永久地指向衛星與地球自轉同步位於天空中的位置。最遠端的觀測空間衛星位於更遠的太空中，在地球高軌道上，該軌道延伸到35786公里以上，一直延伸到月球的距離，即384000公里。地球高軌道由於成本原因使用頻率較低，但已被用於監測敵對國家進行的核武器試驗。1963年發射的美國維拉衛星網路於1979年成功識別了以色列軍隊在印度洋進行的核試驗。這些高軌道的衛星會受到月球引力的影響，僅用於需要在遠離地球的超遠距離執行的任務。例如，IBEX地球高軌道衛星繪製了太陽系在穿越星際空間時留下的粒子軌跡圖。
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