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大气虽然是看不见、摸不着的，但是从性质、成分和作用等角度还是可以分出明显的层次的。最早的大气分层应该是在地球重力的作用下按气体密度的分层，比如最重的水蒸气就在大气的最底层。随着大气的演变，产生了按其功效的分层，比如电离层、磁层、臭氧层，等等。
大气是流体，这一点总是被我们忽视。就我们人类来说，就像是鱼儿生存在水中一样，我们也在大气里“游来游去”。绝大部分时间里，我们生活在和我们关系最大的对流层，然而大气的每一个层次都与我们的生活和生存密切相关，比如臭氧层。
常见的大气分层方法如下。
（1）按热状态特征，可分为对流层、平流层、中间层、热层和外层（又称外逸层或逃逸层）。接近地面，对流运动最显著的大气区域为对流层，对流层的上界称对流层顶，在赤道地区高度约17～18km，在极地高度约8km；从对流层顶至距地面约50km的大气层称平流层，平流层内的大气多作水平运动，对流十分微弱，臭氧层即位于这一区域；中间层又称中层，是从平流层顶至距地面约90km的大气区域；电离层（热层）是中间层顶至距地面300～500km的大气层；电离层顶以上的大气层称外层大气（见图2.5）。
◎图2.5 大气按离地高度分层。图中的“同温层”就是我们说的平流层，由于那里空气稀薄、水蒸气和尘埃很少，在20～30km以下基本保持-55℃
（2）按大气成分随高度分布的特征，可分为均匀层和非均匀层。均匀层是指地面以上约80km的大气层，其大气各成分所占的体积百分比保持不变。均匀层的平均相对分子质量为28.966g/mol，为一常数。非均匀层为距地面80km以上的大气区域，不同大气成分所占的体积百分比随高度而变，平均相对分子质量不再是常数。
（3）按大气的电离特征，可分为电离层和中性层。中性层又称非电离层，是指以中性成分为主的大气层。电离层又可分为D层、E层和F层。
对许多人来说，对流层就是大气层了。这样说也有道理，因为大气总体的80％都是对流层，和我们关系最为密切的风雨雷电也都发生在对流层，我们之中的很多人恐怕一生也很难离开对流层。
对流层的厚度为8～17km，平均厚度为12km。最厚的地方是赤道，因为那里的光照时间长，温度高，气体流动强烈，流动的高度和范围也大。英语里的对流层一词Troposphere的词首，就是由希腊语的Tropos（意即“旋转”或“混合”）引申而来。正因对流层是大气层中湍流最多的一层，客机大多会飞越对流层顶，在平流层中飞行，以避开影响飞行安全的气流。
对流层的主要特征如下。
（1）气温随高度的增加而递减，平均每升高100m，气温降低0.65℃。其原因是太阳辐射首先主要加热地面，再由地面把热量传给大气，因而愈接近地面的空气受热愈多，气温愈高，远离地面则气温逐渐降低。
（2）空气有强烈的对流运动。地面性质不同，因而受热不均。暖的地方空气受热膨胀而上升，冷的地方空气冷缩而下降，从而产生空气对流运动。对流运动使高层和低层空气得以交换，促进热量和水分传输，对成云致雨有重要作用。
（3）天气复杂多变。对流层集中了75％的大气质量和90％的水汽，因此伴随强烈的对流运动，产生水相变化，形成云、雨、雪等复杂的天气现象。
1．平流层
对流层上面，直到高于海平面50km这一层，叫做“平流层”。从温度变化的角度来说，它包含了同温层（20～30km）和逆温层（30～50km）两个部分。由于在20～25km处的臭氧含量最多，所以这一区域也称为臭氧层。
平流层中的空气以水平运动为主，空气垂直混合明显减弱，整个平流层比较平稳。由于离地面较远，水汽、尘埃含量极少。这一层大气透明度好，很少发生天气变化，适于飞机航行。
2．中间层
从平流层顶到距地面90km高度为中间层。其主要特征是：①气温随高度增高而迅速降低，中间层的顶界气温降至-83～-113℃。因为该层的臭氧含量极少，不能大量吸收太阳紫外线，而氮、氧能吸收的短波辐射又大部分被上层大气所吸收，故气温随高度增加而降低。②出现强烈的对流运动。这是由于该层大气上部冷、下部暖，致使空气产生对流运动。但由于该层空气稀薄，空气的对流运动不能与对流层相比。
3．电离层（热层）
从中间层顶到距地面800km高度为电离层。电离层的特征是：①随高度的增高，气温迅速升高。据探测，在距地面300km高度上，气温可达1000℃以上。这是由于所有波长小于0.175μm的太阳紫外辐射都被该层的大气物质所吸收，从而使其增温。②空气处于高度电离状态。这一层空气密度很小，在距地面270km高度处，空气密度约为地面空气密度的百亿分之一。由于空气密度小，在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，氧分子和部分氮分子被分解，并处于高度电离状态，故称电离层。电离层具有反射无线电波的能力，对无线电通信有重要意义。
电离层顶以上，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。
这一层的空气极其稀薄，其密度为海平面处的一亿亿分之一，大气质点的碰撞机会很小。这里的温度很高，可达数千摄氏度，主要是因为这里受太阳的直接照射，同时又没有散温条件，热量传递以辐射为主。有人问道，外层与外太空（宇宙空间）之间，温度是如何过渡（衔接）的？实际上，外太空是无温度可言的。因为温度的定义是指物质受热之后的活动能力，而外太空被认为是没有物质的真空，所以这个过渡是不存在的。
由于外层的气温很高，空气粒子运动速度很快，又因距地球表面很远，受地球引力作用小，所以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。
通常把距地面1000km之内，即电离层之内作为大气的高度，即大气层厚1000km。在地球大气层外的空间，还围绕着由电离气体组成的极稀薄的磁层，称为“地冕”。它一直伸展到距地面22000km的高度。
既然大气层和外太空之间没有明显的边界，那么我们地球的边缘又在哪里呢？也许有人会回答你，地球是个圆球，它没有边界，这就是个几何问题了；还有人可能回答你，天堂或地狱就是地球的边界，那就是宗教问题或者是哲学问题了。要回答这个问题我们首先要搞清楚地球的边界如何定义。
最新的“太空分限”，即地球大气层与太空的“分界”，被测定为距离地球海平面118km处。研究人员发明了一种名为“超热离子成像器”的仪器，通过追踪地球大气层与太空中带电粒子流的活动，进而“精确”测定地球大气层与太空的“分界”距海平面118km。国际航空联合会先前认定，“太空分界”距海平面100km，因为气球和飞机在那样的高度活动是非常困难的。也有科学家认为，飞行器抵达距海平面2100km处才标志着“进入太空”，因为飞行器抵达那里时，所受的地球引力已经与其他力相互抵消，处于失重状态。
然而，美国国家航空航天局（NASA）从未官方认定任何一种“太空界限”标准，他们认为那样会使卫星和其他绕地飞行器的飞越权界定复杂化。
复杂吗？2004年，63岁的南非裔美国人梅尔维尔成为驾驶非政府资助飞行器进行太空飞行的第一人。当飞行高度达到距地面100km的目标时，梅尔维尔从机舱向外望，看见了地球弯曲的轮廓。他当时喊出的一句话就是：“我看到地球的边缘啦！”