什么是地球的大气层？

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在这张国际空间站拍摄的轨道日落照片中，太阳最后的光芒照亮了地球大气层，当时它在日本北部海岸外的太平洋上空飞行了261英里。这些层作为从表面延伸到太空的细带清晰可见。图像：国家航空和航天局

（）据美国宇航局（Katera Lee）：当我们谈论地球大气层时，我们的意思是什么？

想象一下一层蛋糕，包裹在地球上。这就是地球大气层的本质：地球周围一层又一层的气体，致力于保护地球。我们请美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的大气科学家Rei Ueyama进一步解释我们大气的功能和重要性。Ueyama是大气科学分支的一员，该分支专注于推进我们对地球周围大气行为的知识和理解。Ueyama的研究特别关注对流层上层和平流层的过程，这也使她能够通过预测和飞行计划支持、数据收集和分析来支持美国国家航空航天局的机载任务。

植山说：“地球的大气层允许生命存在……就像一个围绕地球的保护气泡。”。虽然我们不能直接看到大气层，但它提供了我们呼吸的空气，并保护我们免受有害的紫外线的伤害。大气还起到收集热量和保持适度宜居温度范围的作用。如果没有它，地球的温度将与月球的温度相似，由于缺乏大气层，月球在昼夜之间会经历极端的温度波动（-208°F至250°F）。

大气主要由五层组成，由温度、化学成分和空气密度等因素区分。



地球大气层的五个不同层的图解。NASA GSFC/Mary Pat Hrybyk Keith

1.对流层

对流层是最下层的大气层。对流层容纳了植物光合作用和动物呼吸所需的所有空气。地球的天气发生在这一层，因为它是发现大部分大气质量的地方，包括大部分水蒸气。由于上层的压缩，对流层也是密度最高的大气层。

对流层与地球表面相互作用，产生温度梯度，驱动空气和水的运动。来自地球表面的水通过蒸发和蒸腾转化为水蒸气，并在对流层中移动，在那里凝结成云。风吹动云层，水以降水的形式回流；雨、雪、雨夹雪和冰雹。

在对流层内，温度随着海拔高度的增加而降低，这是由于空气在对流层上层变得更薄。这种温度下降就是为什么我们在高山的顶峰看到雪的原因。

2.平流层

平流层是对流层之上的一层。与对流层相比，由于大气中空气的垂直运动对流减少，平流层下部经历的湍流空气较少。这个地区是商用客机的飞行地。与对流层不同，随着该层内海拔高度的增加，温度开始升高，这主要是由于臭氧层的存在，臭氧层吸收并保护地球免受太阳的紫外线辐射。根据Ueyama的说法，这种温度变化产生了稳定性，底部有较冷、密度较大的空气，顶部有较暖、密度较小的空气。

3.中间层

中间层是平流层和热层之间的中间层。流星进入中间层时会燃烧，这是因为它们的移动速度以及与外层大气层相比，中间层中气体分子的存在增加：这会产生摩擦和热量，从而烧毁来袭的流星。

与对流层一样，温度开始随着海拔的升高而降低。中间层是最冷的大气层，Ueyama指出，中间层顶，中间层和热层之间的边界，是整个大气中最冷的部分。这是因为中间层接收的太阳辐射（阳光）比上面的层少，空气密度也比下面的层低。

4.热层

热层位于中间层之上。这个层非常活跃，随着太阳辐射水平的变化而膨胀和收缩。热层最高可达2000°C（3632°F）或更高。根据Ueyama的说法，该层的密度（或者更确切地说，缺乏密度）是其温度飙升的原因。由于气体颗粒如此之少，每一个都会吸收更多的辐射能量，从而导致热层达到如此高的温度。这一层因是国际空间站和其他近地轨道卫星的所在地而引人注目。

在中间层和热层的部分区域内，有高能电子和电离原子，被称为电离层（不要让这个名字的球体部分骗了你：这些是中间层和热层中的粒子组）。Ueyama解释道：“太阳非常高能的x射线和紫外线辐射照射到[气体]分子上，从其母原子上带走电子，[留下]大量离子。这就是我们称之为电离层的原因。”。当这些粒子被激发时，它们碰撞产生极光——也被称为极光和南光。

5.外层

外逸层是地球大气层的最外层，大多数卫星都在这里运行。外逸层表示我们大气层的结束和外太空的开始，尽管外逸层结束的最高高度还没有确定。Ueyama说：“这有点像空气分子从地球大气层中泄漏出来。”。

当前感兴趣的主题

大气科学家感兴趣的一些主题包括温室气体、污染和空气质量，以及与云相关的过程。研究人员正在努力提高我们对这些主题未来将如何影响我们的气候和公共健康的理解，特别是在环境因素迅速变化的情况下。

温室气体

温室气体是一类特殊的微量气体，来自自然和人为（人为）活动。与历史记录相比，大气中温室气体的浓度正在增加，导致全球平均气温上升。

温室气体本身并不是一个问题，因为它们能维持地球上适宜居住的温度。Ueyama解释说，如果没有温室气体效应，平均地表温度将在-20?C（-4?F）左右。当人类活动，如化石燃料的燃烧，使温室气体的浓度超过自然水平，从而捕获比正常情况更多的热量时，这就成了一个问题。这种温度升高与气候变化直接相关。

污染/空气质量

污染引发了公众健康问题，如肺功能下降，甚至心脏病或肺病患者过早死亡。一些污染物来源是自然产生的，如火山和野火产生的烟雾，但其他来源来自人类活动。例如，二氧化碳和一氧化二氮也是温室气体的一种形式，它们是从工厂和汽车中释放出来的。

当悬浮在空气中的气溶胶，即自然（野火、火山）和人类活动（化石燃料燃烧）排放的小颗粒物，进入大气层时，大气成分就会发生变化。Ueyama说：“这也会改变地球的辐射平衡，影响气候。”。



地球的能量预算描述了从太阳到达地球的辐射能和从地球流回太空的能量之间的平衡。

辐射平衡，也被称为地球的能源预算，是指进入和离开的辐射量之间的平衡，大气气体在管理辐射量方面发挥着重要作用。入射的辐射主要是短波太阳能（阳光），其中一些被大气气体或云层反射回太空，一些被大气气溶胶散射，一些被地球表面吸收。向外辐射是地球表面发射的长波辐射，几乎完全被大气气体吸收，然后向各个方向重新发射：一些被发射到太空，因此从系统中消失，但一些返回地球，重复变暖循环。



美国国家航空航天局Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）捕捉到了覆盖中国东部的雾霾。在拍摄图像的当天，即2014年10月9日，地面测量报告PM 2.5测量值为334微克/立方米空气。NASA/Jeff Schmaltz

植山还提到了对PM2.5等细可吸入颗粒物的担忧，PM2.5是2.5微米及以下的颗粒物。颗粒越小，就越容易进入我们的肺部，并导致哮喘和心跳不规则等健康问题。PM2.5直接从机动车尾气等来源释放，或在大气中复杂的化学相互作用过程中产生。这些PM2.5来源中的任何一种都可能对人类健康产生不利影响。

随着不同气溶胶的不断排放，科学家们仍在努力了解和预测这些颗粒物对大气成分、人类健康和环境条件的长期影响。通过检测、监测和建模这些变化，我们可以了解大气化学与气候之间的行为和相互作用。这为我们提供了未来气候变化的信息，并指导了国家和地区的空气质量标准。

云

云对天气和气候有重大影响。根据云的特征和在大气中的高度，云会对地球产生变暖或降温的影响。较厚和较低海拔的云层阻挡了太阳辐射，使地球表面冷却。与此同时，大气层中较薄、海拔较高的云层捕获了一些从地球表面反射的太阳辐射，产生了变暖效应。这些相互作用符合所谓的云气候反馈。

Ueyama的研究涵盖了对流层和平流层之间的动态物理过程和相互作用，以了解云和天气模式变化的驱动因素。Ueyama说：“了解决定这些云特征的过程是我们感兴趣的，这样我们就可以改进全球气候模型中对云和对流的模拟，从而更好地预测未来的气候。”。

当前大气研究和资源

美国国家航空航天局对地球大气层的性质、空气质量和地球的能源预算进行了各种研究。为了解决大气相关问题，美国国家航空航天局有四个主要的大气研究项目，包括高层大气研究项目（UARP）、对流层成分项目（TCP）、辐射科学项目（RSP）和大气成分建模与分析项目（ACMAP）。

美国国家航空航天局最新发射的卫星之一，浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统（PACE），帮助研究人员研究海洋和大气之间的二氧化碳交换。PACE可以同时探测气溶胶和云层，从而对气溶胶的影响及其与云层的相互作用提供有价值的见解。Ueyama将为浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统发射后机载实验（PACE-AX）活动提供气象和气溶胶预报；进行数据验证以支持PACE任务的实地活动。

除了美国国家航空航天局的卫星从太空捕获数据外，还有大量的机载和地面任务可以收集和验证数据。探索污染的廉价网络传感器技术（INSTEP）是最新的低成本、高价值空气污染检测仪器网络之一，可以捕获和监测甲烷和二氧化碳等微量气体。美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的微量气体小组（TGGR）在加利福尼亚州各地部署了INSTEP传感器，以监测空气质量并支持卫星数据验证。

对于那些希望积累大气科学知识的人，请查看美国国家航空航天局的地球数据，了解更多信息和相关主题。有关美国国家航空航天局大气相关研究的新闻，请访问美国国家航空宇航局的地球大气页面。

除了美国国家航空航天局的研究和资源外，Ueyama还建议将大学大气研究公司（UCAR）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）网站作为提供大气科学主题更多信息的公共资源。