大气圈

定义

大气圈指因重力作用围绕地球的混合气体整体，亦称大气层或大气，其底界为地面，向上密度随高度增加而递减，最后极其稀薄地向星际空间过渡^[1][3]。在环境学和地球科学的分类中，它与水圈、岩石圈并列，共同构成地球体系，是其中动量、热量与物质循环的关键环节^[7]。

《地球科学大辞典》等工具书把大气圈的底界定为地面、上界则不易确定，因为高层大气与行星际空间之间并无明显分界^[3][8]。也有表述把大气圈的范围描述得更宽，认为 2000～16000 千米高空仍有稀薄气体与基本粒子，而土壤和某些岩石孔隙中的少量空气也可视作其组成部分^[9][2]。

地球大气的主要成分是氮和氧，二者合计占总体积的大部分，此外还有氩、二氧化碳、氖、氦、氪、氙、臭氧、氡以及水汽等^[5][4]。氮、氧、氩三种气体合计约占大气总体积的 99.96%，其余组分含量虽少，却在辐射收支和水汽循环中起着不可忽略的作用^[10]。

原理

大气圈的垂直分层主要由热量收支的差异决定。低层大气以吸收地面长波辐射为主要热源，因此近地面气温较高，向上气温递减，垂直方向的冷暖差驱动了空气的对流与湍流交换^[9][4]。进入中层和高层后，地面加热的作用减弱，氮、氧、原子氧和臭氧对太阳短波辐射的吸收，以及臭氧、二氧化碳和水汽的红外辐射冷却成为主导因素^[11]。这种热量来源的转换使气温廓线出现多个回暖层与冷层，垂直减温率因而反复改变符号^[9]。

温度随高度变化的转折点成为划分圈层的依据。世界气象组织按气温垂直分布把大气圈自下而上分为对流层、平流层、中间层、暖层（热层）和散逸层 5 层^[9][12]。对流层顶、平流层顶、中间层顶分别是各层之间的界面临界高度，其位置随纬度和季节变动^[13]。

对流层贴近地面，其厚度在低纬约 17～18 千米，中纬约 10～12 千米，高纬仅 8～9 千米，夏季大于冬季^[13][4]。这一层集中了约 3/4 的大气质量和几乎全部水汽，气温平均每升高 100 米下降约 0.65℃，强烈的对流使云、雨、雪等天气现象主要发生于此^[13][4]。

平流层位于对流层顶至约 50 千米高度，20～25 千米处臭氧含量最多，臭氧吸收太阳紫外线使气温随高度上升，形成逆温，层内空气以水平运动为主，垂直混合微弱^[4][14]。中间层从平流层顶到约 80～85 千米，因臭氧极少而气温迅速下降，层顶附近可低至约 -83℃ 至 -113℃^[4][9]。

暖层（热层）自中间层顶向上延伸至数百千米，波长小于 0.175 微米的太阳紫外辐射被该层大气物质大量吸收，气温随高度迅速升高^[4][12]。这一层空气高度电离，形成 电离层，能够反射无线电波^[15]。最外层的散逸层温度高、密度极低，气体粒子运动速度大且所受引力小，容易逃逸进入星际空间，是大气圈与太空之间的过渡地带^[12]。

除按温度分层外，还可按其他属性分类：依成分混合状况分为 85 千米以下的匀和层与 110 千米以上的非匀和层；依电磁特性分为中性层、电离层和磁层，磁层顶是太阳风与地磁场相互作用形成的边界^[10]。

发展历程

关于大气圈的起源主要有三种观点：一是行星形成时俘获太阳星云气体，二是行星内部物质经熔融、去气过程释放气体逐渐积累，三是两种成因叠加^[16]。次生起源说获得的证据较多，例如金星、地球、火星大气成分相似，地球内部去气产生的气体量足以形成大气圈，且大气的稀有气体丰度与陨石一致而非与太阳一致^[16]。

早期大气具有火山气体成分，呈强还原性；水汽凝结形成原始海洋后，大气演化为以二氧化碳和火山气体为主的类型；随着碳酸盐沉积使二氧化碳分压下降，又过渡为弱氧化的二氧化碳大气^[16]。氧的主要来源是水蒸气的光化学分解和绿色植物的光合作用，显生宙生物繁盛、碳酸盐沉积增加和植物出现，最终使大气转变为现今的氮氧型大气^[16]。

人类活动也在改变大气组成，每年煤和石油燃烧产生大量二氧化碳排入大气，使二氧化碳含量明显上升^[16]。平流层臭氧的损耗则主要由氟氯烃类化合物及哈龙类灭火剂的持续排放引起，为此 1987 年 9 月 16 日联合国谈判达成关于消耗臭氧层物质的《蒙特利尔议定书》^[17]。

应用

大气圈的结构知识直接支撑天气预报与气候研究。对流层集中了大部分大气质量和几乎全部水汽，云、雾、雨、雪以及寒潮、台风、雷雨、闪电等天气过程均发生在此层，因而是气象学和气候学分析的重点层次^[13][8]。对流层顶的高度与温度变化被视为全球气候变化的指示标志之一^[17]。

在航空方面，平流层水汽与尘埃极少、天气晴朗、大气透明度好，且气流以水平运动为主，适合大型客机稳定巡航^[4][17]。在通信方面，暖层大气高度电离形成多层电离层，其中 F 层最强，可反射无线电波，使远距离无线电通信得以实现^[15][12]。

大气圈本身还承担着多重屏障功能。大气中的氧、二氧化碳等参与地球化学作用；臭氧层吸收紫外线，保护地表生物；大气使地表温度趋于适宜并产生各种气候现象；运动的大气即风，是塑造地表面貌的重要外动力^[6]。此外，进入大气的流星体在摩擦中大量消减，只有少量碎块能落到地面^[5]。

局限

大气圈的保护作用有明确限度，其抵御能力随太阳活动、地表状况和人类排放而改变。平流层臭氧一旦因氟氯烃等物质持续排放而损耗，紫外线屏蔽功能就被削弱，这也是国际社会专门订立议定书加以约束的原因^[17]。同时，工业排放的二氧化碳在大气中累积会导致温室效应增强，大气环境污染还直接表现为沙尘暴等现象，这些过程都超出了大气自身的调节范围^[6]。

从观测和描述的角度看，大气圈也没有可统一采用的上界。高层大气密度极低且向行星际空间连续过渡，不同文献给出的顶部高度差异很大，既有以 1000 千米为上界的处理，也有 2000～3000 千米乃至 2000～16000 千米的表述，这使大气圈的质量、厚度等总量指标只能给出近似值^[7][12][9]。关于大气总质量，不同工具书的数值也不一致，中国气象局资料给出的量级是 5.3×10¹⁸ 千克、约占地球总质量的百万分之一^[7]。

分层方案本身也不是唯一的。按温度划分的五层结构只是最常用的一种，按成分均匀性、电离状况、光化反应或磁场控制还可以划出匀和层与非匀和层、电离层与磁层、臭氧层等不同体系，各方案的界面高度并不互相对应^[4][10]。因此，层与层之间的高度数值宜视作随纬度、季节和太阳活动变化的近似范围，而非固定界线^[13]。

参见

• 对流层 —— 大气圈最底层，集中大部分大气质量和几乎全部水汽，是天气现象发生的主要层次。

• 平流层 —— 位于对流层之上的层次，内含臭氧层，大气以水平运动为主。

• 电离层 —— 高层大气中高度电离的区域，能够反射无线电波。

• 水圈 —— 与大气圈并列的地球外部圈层，通过蒸发和降水与大气交换水分。

• 岩石圈 —— 与大气圈相互作用的地球外部圈层，是大气中尘埃与部分气体的来源之一。

• 温室效应 —— 大气中温室气体对地表辐射的吸收与再辐射过程，与大气成分变化密切相关。