自地球表面向上，随高度的增加空气愈来俞稀薄。大气的上界可延伸到2000～3000公里的高度。在垂直方向上，大气的物理性质有明显的差异。根据气温的垂直分布、大气扰动程度、电离现象等特征，一般将大气分为五层。 暖层顶以上，称外层。它是大气的最外一层，也是大气层和星际空间的过渡层，但无明显的边界线。这一层，空气极其稀薄，大气质点碰撞机会很小。气温也随高度增加而升高。由于气温很高，空气粒子运动速度很快，又因距地球表面远，受地球引力作用小，故一些高速运动的空气质点不断散逸到星际空间，散逸层由此而得名。据宇宙火箭资料证明，在地球大气层外的空间，还围绕由电离气体组成极稀薄的大气层，称为“地冕”。它一直伸展到22 000公里高度。由此可见，大气层与星际空间是逐渐过渡的，并没有截然的界限。
包围地球的气态物质称为大气。大气的存在与人类、生命有机体息息相关，例如，大气中的氧为人类、生物呼吸所不可缺少；二氧化碳是植物生长所必需的化合物；大气中的某些成分能吸收和放射长波辐射，使大气温度适宜于人类与生物生存。大气又可阻挡太阳紫外线大量进入地表，对地球上的生命起着保护作用。大气是自然环境的重要组成部分和最活跃的因素。例如大气中氧的化学性质非常活跃，在生命有机过程与无机过程中起着重要的作用；大气在地表物质交换与能量转化中是一个十分重要的环节。大气与水及生物彼此相互联系、相互制约、相互渗透，共同对地表发生作用，影响着一系列自然地理过程，例如风化、侵蚀、物质转化与交换、迁移，等等。
大气运动在全球水、热平衡中起着独特的作用，其水热状况对比与分布，对地表自然景观的形成和地域分异有着深刻的影响。
第一节 大气的组成与垂直分层
一、大气的组成
大气是由多种气体组成的混合物，其中还含有一些固体杂质和液体。
（一）干洁空气
大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体，称为干洁空气。由表3－1可知，氮和氧容积占99．04%，加上氩，三者合占 99．97%，其他气体仅占0．03%。干洁空气中大多数气体的临界温度低于自然情况下大气中可能出现的最低温度，CO2的临界温度虽然较高，但它所对应的压力却大大超过其实际分压力。因此，干洁空气中的所有成分都呈气体状态。
表3－1 干洁空气的成分及其性质
气体种类和分子式 空气中的含量（%） 临界温度和临界压力 沸点温度（℃）
分子量 （大气压） （气压为760mm）
按容积 按质量
氮N2 78．09 75．52 28．016 －147．2 33．5 －195．8氧O2 20．95 23．15 32．000 －118．9 49．7 －183．l氩Ar 0．93 1．28 39．944 －122．0 48．0 －185．6二氧化碳CO2 0．03 0．05 44．010 31．0 73．0 －78．2臭氧O3 0．000001 —— 48．000 －5．5 92．3 －111．1干洁空气 100．00 100．00 28．966 －140．7 37．2 －193．0
干洁空气中的CO2和O3含量极少，变化较大，但它们对地表自然界和大气温度却有重要的影响。
1．二氧化碳 离地表20km以下，CO2平均含量约为0．03%，向高空显著减少。CO2主要来自火山喷发、动植物的呼吸以及有机物的燃烧、腐败等。在人口稠密的工业区，其含量明显增高，可占空气体积的0．05—0．07%；在海洋上和人口稀少地区，含量大为减少。CO2能强烈吸收和放射长波辐射，对大气和地表温度有明显的影响，起着“温室”作用。
2．臭氧 低层大气中的O3主要来源于闪电。闪电不经常发生，所以低层O3含量极少，而且不稳定。高空的O3是由太阳紫外线作用形成的，所以含量比低层大气多，并在20—25km的高空达到极大值。O3能强烈地吸收太阳紫外线，对大气有增温作用，并在高空形成一个暖区。大量紫外线在高空被吸收，使地面上的生物免受危害。穿透大气层到达地表的少量紫外线，对人类和大部分生物则是有益的。
（二）水汽
水汽主要来源于海洋、江河湖沼和土壤，以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。大气中的水汽含量极不固定，随时间、地点、条件而不同。其所占容积变化范围为0—4%。观测结果表明，在1．5—2km高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km高度，只相当于地面的1/10，再往上更少。水汽含量虽然不多，但它在大气温度变化范围内可以发生汽态、液态和固态三相转化，人们常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都是水汽相变的表现。此外，水汽还善于吸收和放射长波辐射，显著影响大气和地表的温度。
（三）固体杂质
悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒等，它们的半径一般为10－2—10－8cm，多集中于低层大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧；尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒，以及火山爆发后产生的火山灰、流星燃烧的灰烬；盐粒则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的，固体杂质的含量陆地上空多于海洋上空，城市多于乡村，冬季多于夏季，白天多于夜晚，愈近地面愈多。固体杂质是大气中水汽凝结的必要条件；能吸收部分太阳辐射，又可阻挡地面长波辐射，对大气和地表温度有一定影响；其含量多少，还直接影响到大气能见度的好坏。
（四）大气污染
由于自然或人为的原因，导致空气中有害物质的浓度超过一定限度，维持一定的时间，直接或间接地对人类正常生活、动植物正常生长，以及对气候和各类物品、材料造成危害的现象，称为大气污染。除火山爆发、森林火灾、海水蒸发、植物花粉传播等自然原因外，人类活动如工业生产、生活燃烧、各种交通工具排放的烟、粉尘、废气等，还有现代化战争。都引起大气污染。常见的有害气体有二氧化硫、一氧化碳、氟化氢、氮氧化物、氯化氢等。此外，还有各种烟和粉尘以及光化学烟雾等。据统计，全世界每年排放的有害气体总量高达6×108多吨（表3－2）。
在大气污染物中，以粉尘烟雾对人体健康危害最大。直径为0．5—5 微米的粉尘烟雾可直接进入肺组织内部，通过血液传播全身。据分析，有的煤粉尘微粒表面存在致癌性的芳香族化合物。
大气污染程度不仅与废气排放量有关，而且与气象状况有关。如 1952年伦敦发生的大气严重污染事件就是由于受反气旋控制，上空气温逆增、大气层结稳定，阻碍污染物扩散，有毒气体浓度加大，烟雾笼罩达四天之久，导致数千人死亡。
表3－2 世界每年排放有害气体总量
污染物 污染源 排放量（×10t）8
煤粉尘 烧煤设备 1．00
二氧化硫 烧煤、烧油设备 1．46
一氧化碳 汽车、工厂设备在燃烧不完全时 2．20
二氧化氮 汽车、工厂设备在高温燃烧时 0．53
碳氢化合物 汽车、燃烧设备和化工设备 0．88
碳化氢 化工设备 0．03
氨 工厂废气 0．04
环境污染问题已引起世界各国的重视，相继采取措施加以防治，如对污染源进行监测，改革生产工艺过程，增设除尘和回收设备，调整有污染的工厂布局，控制污染物的排放量等。对新建的城市、工业区、厂房、烟囱等，在规划设计中必须考虑气象条件，利用大气扩散的自行净化能力，以及进行合理的绿化布局，将大气污染的危害减少到最低限度。
二、大气的垂直分层
大气的下界是地面，上界则说法不一。因为，星际空间存在着星际气体物质。由于地球引力场的作用，大气的密度随高度增加而迅速减小，并逐步过渡到宇宙空间与星际气体物质相连接。根据大气层中出现的某些物理现象，可大致确定其物理上界。极光现象可能出现的最大高度是1200 公里，说明这一高度大气尚有一定密度；在此高度以上不再有极光发生，说明大气密度小到微不足道的程度。因此，1200公里高度可作为大气层的物理上界。根据天体物理研究，星际气体密度约为每立方厘米一个微观粒子。按人造卫星探测资料推算，地球大气密度在2000—3000km高空达到这一标准。因此，有人主张以此高度作为大气上界。
（一）大气的分层
从地面到高空，大气的成分、密度、温度等物理性质都有明显的变化。世界气象组织根据气温的垂直分布，将大气分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层（图3－2）。
1．对流层 其下界是地面，上界因纬度和季节而不同。根据观测，对流层的平均厚度在低纬度为17—18公里，中纬度10—12公里，高纬度8—9公里。夏季对流层的厚度大于冬季，例如南京夏季对流层厚度可达17公里，冬季只有11公里。
对流层集中了整个大气质量的3/4和几乎全部水汽，它具有以下三个基本特征：
（1）在一般情况下，对流层中气温随高度增加而降低。因为，对流层空气主要依靠地面长波辐射增热，愈近地面，空气受热愈多，反之愈少。因此，高度愈大，气温愈低。平均每升高100米气温降低0．6℃。
（2）空气对流运动显著。对流层的温度垂直变化明显，水平分布不均，愈近地面气温愈高，纬度愈高气温愈低。这种状况有利于空气的垂直对流和水平运动。空气的对流运动，使高低层空气得到交换，近地面的热量、水汽和杂质通过对流向上空输送，导致一系列的天气现象的形成。
（3）天气现象复杂多变。由于空气有垂直对流与水平运动，水汽和杂质含量均多，随着气温变化，可产生一系列物理过程，形成复杂的天气现象。因此，对流层与地表自然界和人类关系最为密切。
对流层内部根据温度、湿度和气流运动，以及天气状况诸方面的差异，通常划分为三层：①下层：底部和地表接触，上界大致为1—2 公里，有季节和昼夜等的变化，一般夏季高于冬季，白天高于夜间。下层的特点是水汽、杂质含量最多，气温日变化大，气流运动受地表摩擦作用强烈，空气的垂直对流、乱流明显，故下层通常也叫摩擦层或边界层。②中层：下界为摩擦层顶，上部界限在6公里左右。中层受地面影响很小，空气运动代表整个对流层的一般趋势，大气中发生的云和降水现象，多数出现在这一层。此层的上部，气压只及地面的一半。③上层：范围从6 公里高度伸展到对流层顶部。这一层的水汽含量极少，气温经常保持在0℃以下，云都由冰晶或过冷水滴所组成。
在对流层和平流层之间，还存在一个厚度数百米至1—2公里的过渡层，称为对流层顶。其气温随高度增加变化很小，甚至没有变化，它抑制着对流层内的对流作用进一步发展。
2．平流层 对流层顶以上到50—55公里范围是平流层。平流层气温基本上不受地面影响，故随着高度的增加，起初不变或变化极小；至30 公里高度以上时，由于臭氧含量多，吸收了大量的紫外线，因此升温很快，并大致在50公里高空形成一个暖区。到平流层顶，气温约升到270—290K。平流层水汽含量极少，因而没有对流层内出现的那些天气现象，只在底部偶然出现一些分散的贝云。本层气流运动相当平稳，并以水平运动为主，平流层即由此而得名。现代民用航空飞机可在平流层内飞行。
3．中间层 自平流层顶到80—85公里是中间层，主要特点是气温随高度增加而迅速下降，到顶部降至160—190K。这可能与这一高度几乎没有O3有关。由于下层气温比上层高，故空气有垂直对流运动，又称为高空对流层或上对流层。
4．暖层（电离层）自中间层顶到800公里高空属于暖层。这一层大气密度很小，在700公里厚的气层中，只含有大气总质量的0.5%。本层特点是：气温随高度的增加而迅速升高，到顶部高达1000K，这是因为所有波长小于0.175μm 的太阳紫外辐射都已被暖层气体所吸收的缘故。由于大气密度太小，氧分子和部分氮分子在太阳紫外线和宇宙射线作用下被分解为原子，并处于高度电离状态，所以暖层又称电离层。如图3－2所示，电离程度较强的有高度在100—120公里的E层和200—400公里的F层，以及介于中间层和暖层之间的，只在白天出现、高度大致为80公里的D层。电离层能够反射无线电波，故在远距离无线电通讯中具有重要意义。当太阳活动强烈时，电离层受到骚扰，并能吸收短波无线电，导致地球上无线电通讯受阻甚至短时间中断。
5．散逸层（外层）暖层顶之上，因大气十分稀薄，离地面远，受地球引力场约束微弱，一些高速运动的空气质点就能散逸到星际空间，所以本层称为散逸层。根据宇宙火箭探测资料，地球大气层之外，还有一层极其稀薄的电离气体，可伸展到22000公里高度，称为地冕。这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域。
从大气与地表自然环境之间关系来说，对流层具有特别重要的意义。
