地球大气在垂直方向上的物理性质（温度、成分、电荷、气压等）都有很大的变化，根据这些性质随高度的变化特征可将大气进行不同类型的分层。

观测表明，气温随高度的变化非常明显，按其垂直分布的具体特征，通常可将大气层分成对流层、平流层、中层、热层和外逸层（图1.14）。

对流层是地球大气的最低层，几乎集中了整个大气质量的3/4和水汽的90%。其下边界为地表，上界（高度）随纬度、季节等因素而变化。在低纬地区对流层高度一般为17～18km，中纬地区一般为10～12km，极地一般为8～9 km。就季节变化而言，夏季对流层高度大于冬季。

在这一层，气温随高度增加而降低，其降低的数值随地区、时间和所在高度等因素而变化。平均而言，每上升100m约降低0.65℃，这个气温降低速率称为（环境）气温递减率。当然，有时在某地区会出现气温不随高度而变化，甚至随高度增加而降低的情况，称为逆温。对流层顶的温度在低纬地区平均约190 K，高纬地区约为220K。

对流层内大气密度和水汽含量随高度迅速递减，气象要素的水平分布也不均匀。由于对流层空气受地表的影响最大，海陆分布、地形起伏等差异使得对流层中的温度、湿度等气象要素的分布不均匀。对流层还有强烈的垂直运动，包括有规则的垂直对流运动和无规则的湍流运动，它们使空气中的动量、热量、水汽以及气溶胶等得以混合与交换。

对流层的上述特点为云和降水的形成以及天气系统的发生、发展提供了有利条件，大气中所有重要的天气现象和过程几乎都发生在这一层。

自对流层顶向上至50km左右这一范围称为平流层。从对流层顶上方到20km以下，气温基本均匀（即随高度基本不变）；从20km到50km，温度上升很快，至平流层顶可达270～290K。这主要是由于臭氧吸收太阳辐射所致。臭氧层位于10～50km，在15～30km臭氧浓度最高，30km以上臭氧浓度虽然逐渐减少，但这里紫外辐射很强，故温度随高度能迅速升高。

平流层内气流平稳、对流微弱，而且水汽极少，因此大多数为晴朗的天空，能见度很好，对飞行有利。但有时对流层中发展旺盛的积雨云顶部（卷云）也可伸展到平流层下部。高纬地区平流层内有时在日出前、日落后也会出现贝母云（也称珍珠云）。对流层与平流层之间空气混合相当微弱，以至于过去核爆炸的残留碎片和火山喷发的火山灰等在平流层中滞留的时间特别长。

自平流层顶向上，气温又再次随高度上升而迅速下降，至离地面80～85km处达最低值（为180K），这一范围的气层称为中层，或中间层。在这一层中已几乎没有臭氧，大气失去的热量比吸收的热量多，气温随高度迅速下降。

在中层，有相当强烈的垂直对流和湍流混合，故又称高空对流层，然而，由于水汽极少，只是在高纬地区的黄昏时刻，在该层顶部附近，有时会看到银白色的夜光云。

中层顶（85km）以上是热层，这一层没有明显的上界，而且与太阳活动情况有关，有人观测到其高度在250～500km。在这一层，由于氧原子和氮原子吸收大量的太阳短波辐射，而使气温再次升高，可达1 000～2 000K。在100km以上，大气热量的传输主要靠热传导，而非对流和湍流运动。由于热层内空气稀薄，分子稀少，传导率小，因此该层的气温能很快上升到几百度。然而，由于大气稀薄，分子间的碰撞机会极少，温度只有动力学意义，即温度是分子、原子等运动速度的量度。如果宇航员能从宇宙舱内伸出手来，他也不会感觉到“热”，因为热量还与分子的多少有关。并且，热层及以上的大气温度与太阳活动紧密相关，因此，太阳活动的不同状态，使得大气的温度存在较大的变化（图1.15）。

热层以上是大气圈的外逸层，它是大气的最高层，也是大气圈与星际空间的过渡层，其高度在1 000km以上。这一层中气温很高，随高度的增加很少变化。由于气温高，粒子运动速度很大，而且这里的地心引力很小，因此，一些高速运动的空气质粒可能散逸到星际空间。

从以上大气的分层可以看出，地球大气的上边界没有一个明确的“界面”将大气层与星际空间截然分开。人们通过物理分析和现有的观测资料来大致确定大气的上边界高度。通常有两种方法:一种是根据大气中出现的某些物理现象，以极光出现的最大高度——1 200km作为大气的上界。因为，极光是太阳发出的高速带电粒子流使稀薄空气分子或原子激发出来的光，它只出现在大气中，星际空间没有这种物理现象。另一种是根据大气密度随高度增加而减少的规律，以大气密度接近星际气体密度的高度定为大气上界，根据卫星资料推算，这个高度为2 000～3 000km。

大气中温度和湿度的垂直分布称为大气层结。层结的作用只有在气层发生扰动后才表现出来。不稳定的气层不表明对流的存在，稳定的气层也不意味着小的扰动不能产生对流。不稳定层结有利于受扰动气块的垂直运动加速，稳定层结对受扰动气块的垂直运动有抑制作用，而中性层结对气块的垂直运动既不有利也不抑制。大气层结特性影响对流发展的趋势和程度即为大气的层结稳定度，它只是表征了大气层对外力引起的气块垂直运动会起什么影响。

根据大气组成，可将大气分为均匀层和非均匀层两个层次。从地面到80～100km（平均为90km），干空气成分随高度基本不变，称为均匀层；90km以上的稀薄空气成分则不均匀，称其为不均匀层。

大气成分随高度的变化是由分子扩散和湍流混合两种物理过程作用共同决定的。分子扩散使较轻的气体向上扩散的速度快，较重的气体向上扩散得慢，使重的气体位于下方，轻的气体位于上方，从而造成混合气体的平均相对分子质量随高度减少。相对分子运动，湍流混合是由湍涡运动造成的宏观运动混合，它不同于分子扩散，它不是按相对分子质量的大小随高度区分开来，而是在湍流混合为主的高度范围内均匀混合。

在90km以下的低层大气中，湍流混合作用很强，分子扩散作用相对于湍流混合要小得多，大气各成分通过湍流混合而达到均匀分布，与高度无关，平均相对分子质量可视为常数（28.973）。在90km以上的大气中，以分子扩散为主，湍流混合非常弱，大气的各种成分将在分子扩散作用下按轻重而上下分离。而且大气成分的分子受太阳紫外辐射的照射，有相当重要的一部分被电离，随着高度的增加离子数量越来越多，因而，大气的等效相对分子质量随高度增加而有较大的变化。在非均匀层，又可以按其组成的主要成分，将其分为四层:最低一层以氮分子为主要成分，其上一层以氧原子为最多，第三层以氦居多，最高一层由最轻的氢原子组成。

按大气的电离特性，可把大气分为非电离层、电离层和磁层。从地表至60 km左右的大气层，称为非电离层（中性层），这一层里带电粒子很少。处于60～1 000km的地球大气由于吸收太阳紫外辐射而电离，形成自由电子和离子，因而被称为电离层。但仍然有相当多的大气分子和原子未被电离，尤其是在500 km以下，电子和离子的运动除部分受地磁影响之外，还因碰撞而显著地受背景中的中性成分所约束。同一高度范围内，电离部分称为电离层，中性背景则称为热层（刘振兴，2005）。

电离层主要成分是中性成分、自由电子和各种离子。电离层的电性结构不均一，按照单位体积空气里的自由电子数，自下而上分为D层（60～90km）、E层（90～140km）、F层（140km以上至数千千米）。由于电离需要太阳直接辐射，因此白天和夜间的离子密度有所不同，尤其是D和E层，它们夜间消失，白天又形成。但是，最高的F层在白天和黑夜都存在，只是夜间变弱。因为F层大气稀薄，电子、离子不会像低层密度较大的空气那样容易碰撞、中和，所以相对于D和E层，这一层的电子、离子密度变化幅度小。

电离层对电磁波的传播有重要影响，这是因为电离层对电磁波会发生吸收、反射和折射作用。无线电波可以借助于地面和电离层之间的多次反射而实现其远距离传输，从而使我们可以接收到几百千米远处的电台信号。1901年，在加拿大讯号山守候的意大利科学家马可尼（G.Marconi），收到了从英格兰发出的无线电讯号。

从电离层向上直到数个地球半径的范围内，地球大气都是电离的，随着大气越来越稀薄，电离程度也越来越高，几千千米以外的大气是完全电离的，不存在背景中性成分，电离气体的运动完全受到地球磁场的控制，称为磁层。地球磁层占了地球空间绝大部分体积。磁层的外边界叫磁层顶，在平静的太阳风（太阳上层大气中射出的高速带电粒子流）中，磁层顶在向阳侧距地心平均10～11个地球半径，在两极为13～14个地球半径。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾，最远处可延伸数百到上千个地球半径（图1.16）。

磁层、电离层与中性大气存在强烈的相互作用。磁层和太阳风相互作用形成的大尺度磁层电场可以传递到高纬电离区，而电离层的变化又可对磁层电场起到一定的调制作用。电离层的结构与太阳活动有着密切的关系，当太阳发生各种爆发现象时，会增加射向地球的太阳辐射和粒子流，使电离层状态发生剧烈变化。例如，太阳出现耀斑时，会使D层的电离度突然增加，导致中、短波无线电信号突然衰减，甚至使通讯中断。1859年曾出现过一次超级太阳风暴，它产生的强烈地磁效应使电报机出现火花，电线被熔化，导致刚刚建成的电报网陷入瘫痪。1989年3月13日，加拿大魁北克省600万人在没有电力的情况下度过了9个小时，因为太阳风暴毁坏了电网中的变压器。2000年7月14～16日的太阳风暴，使得日本的一颗卫星失去能源，姿态失控，几个月后便坠入了大气层。60km以下大气环流及其变化所造成的大气成分的变化可显著地影响电离层底部的电离状况及热层的下边界条件。对流层中的大气运动在一定条件下可能会向电离层传播，影响电离层中湍流状况及分布，在电离层中形成一定类型的扰动等。

（http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Magnetosphere_rendition.jpg）

磁层—电离层—热层耦合的复杂系统，是太阳剧烈活动引起灾害性空间天气的主要发生区域，对于人类航天活动的安全及导航/通信系统的正常运行有着重要影响。对该区域的探测研究蕴含重大的科学意义和应用前景，也极富挑战性。我国在空间研究卫星探测方面，已经成功实施了以刘振兴为首的科学家团队提出的“双星”计划，与欧空局Cluster 2的4颗卫星相配合，在人类历史上第一次实现了对地球空间的“六点探测”，对地球磁层的多时空、多尺度进行探测研究。将要实施以涂传诒为首的科学家团队提出的“夸父”卫星探测计划，探测太阳风的物理参数和极光的演化过程，通过极光和太阳风的同时探测研究太阳活动对地球空间的影响（刘勇等，2013）。

瞬时或短时间内太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层的状态称为空间天气。它们的状态可影响空间和地面技术系统的性能和可靠性，危及人类的生命和建康。太阳表面、行星际空间、磁层、电离层、高层大气处于平静状态为好的空间天气，强的太阳耀斑、高速太阳风、磁暴等出现时即为恶劣空间天气。大多数空间天气事件是由源于太阳近表面和太阳大气的太阳风所携带的能量驱动的。空间天气预报是基于我们对空间环境的不断监测，掌握其一定的变化规律，然后通过对以获得的数据进行分析，给出空间环境的未来变化趋势的预测。与普通天气预报略有不同的是，空间天气预报还将进一步地为服务对象提供更详细的预警信息和行为指导。从2004年7月1日起，我国国家空间天气监测预警中心开始进行空间天气的日常预报，不定期发布灾害性空间天气的现报、警报，定期发布空间天气的周报、月报。

1.3.2 大气的垂直结构

1.3.2　大气的垂直结构