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说到大气层里发生的故事，与我们最为息息相关的莫过于风、雨、雷、电啦！我国古代就封了“风伯”“雨师”“雷公”“电母”四大主管它们的天神（见图2.6）。有人说，这是因为古人搞不明白风、雨、雷、电的来历，就都说成是由神仙带来的。我倒觉得，恰恰是人们明白了它们属于自然现象，给人类带来了我们所无法做到、无法表达的后果，从中产生了太多的喜、怒、哀、乐，才把它们敬重为神。
◎图2.6 “风伯”“雨师”“雷公”“电母”四大天神
风雨雷电的产生，就是小学生也能说出个子丑寅卯来。它们就是发生在地球大气层里的故事。
空气的流动形成风，而造成空气流动的自然原因就是空气温度的高低。太阳照射着地表的不同区域，空气受阳光的照射后，就造成了有的地方空气热，有的地方空气冷。热空气比较轻，容易向高处飞扬，就上升到了周围的冷空气之上；而冷空气比较重，会向空气较轻的地方流动，于是空气就发生了流动现象，这样就产生了风。
最典型的就是所谓的海陆风（见图2.7），白昼时大陆上的气流受热膨胀上升至高空，流向海洋，到海洋上空冷却下沉，在海面上的气流吹向大陆，补偿大陆的上升气流，低层风从海洋吹向大陆，称为海风，夜间时情况相反，低层风从大陆吹向海洋，称为陆风。
◎图2.7 由于白天和夜晚之间陆地和海洋接受阳光的差异，造成了它们之间的温差，由此温差形成的冷热空气的“日变化”流动就称为“海陆风”
同样的原理，可以形成规模和变化周期更大的季节风（季风），也能够形成在山区所特有的“山谷风”。在山区，由于温差原因引起的风，白天由谷地吹向平原或山坡，夜间由平原或山坡吹向谷地，前者称为谷风，后者称为山风。这是由于白天山坡受热快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因辐射冷却，其降温速度比同高度的空气快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。
不同的地形（下垫面）对风也有影响，如城市、森林、冰雪覆盖地区等。光滑地面或摩擦小的地面使风速增大，粗糙地面使风速减小。
下雨则是地球上水循环的重要形式。它是大气层中水蒸气上下流动的结果（见图2.8）。地球表面的水分受热蒸发变成水蒸气，温度增高、密度变小、重量变轻之后就会向上飘，因为越向上越冷，到一定高度就会形成小水珠（滴），这些小水珠聚集就形成了云，因为空气浮力，小水珠还不会往下掉。当小水珠聚集得很多，互相碰撞很频繁时，就会结合变成比较大的水珠，突破空气的浮力，掉下来就形成雨了。水蒸气凝结成水珠需要降温，小水珠凝聚在一起需要附着物，人工降雨实际上就是人为地为那些“积雨云”提供附着物和降温的条件。
◎图2.8 下雨就是地球上水循环的一个过程
雷和（闪）电往往是同时形成的。自然课上老师总是用先看见“闪电”再听到“隆隆”的雷声的现象，来告诉我们光波和声波在空气中传播的速度是多么的不同。
闪电是云与云之间、云与地之间和云体内各部位之间所携带的正负电荷相遇时所产生的强烈的放电现象（见图2.9）。闪电的温度可以达到1万～2万℃。这样的极度高热使（放电）沿途的空气剧烈膨胀。空气迅速移动，形成巨大的空气波浪，使得气体分子碰撞、摩擦而发出声音。如果距离闪电近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离闪电远，听到的则是隆隆声。
◎图2.9 空气中的正负离子相遇就会形成闪电，闪电的高温所产生的空气膨胀（压缩）就形成了声波——雷声。神话传说中雷公和电母是一对夫妻，当他们吵架时就会电闪雷鸣，而后就会风雨交加
大气环流就是指大气层中有一定规模和周期性的空气的定向流动。大气通过各种运动，形成了地球上的各种气候、气象过程，实现了物质输送、能量转移、转换和平衡，使得地球系统得以稳定和具有活力。
形成大气环流的原因和风的形成类似，也就是空气中热量分布的不均匀和地球上地理条件的差异以及地球的运动等。
形成大气环流最主要的原因有：①太阳辐射，这是地球上大气运动能量的来源。由于黄赤交角的存在，使得地球表面接受太阳辐射能量是不均匀的。热带地区多，而极区少，从而形成大气的热力环流。②地球自转，在地球表面运动的大气都会受地转偏向力的作用而发生偏转。在北半球，气流向右偏转，结果使直接热力环流圈中自极地低空流向赤道的气流偏转成偏东风，而不能径直到达赤道；同样，自赤道高空流向极地的气流，随纬度增高，偏转程度增大，逐渐变成与纬圈相平行的西风。③地球表面海陆分布不均匀，海洋和陆地的储热能力和温度变化能力的差异造成空气的流动。夏季，陆地成为相对热源，海洋成为相对冷源；冬季，陆地成为相对冷源，海洋却成为相对热源。这种冷、热源分布直接影响到海陆间的气压分布，使完整的纬向气压带分裂成一个个闭合的高压带和低压带。同时，冬夏海、陆间的温度差异引起的气压梯度驱动着海陆间的大气流动，这种随季节而转换的环流是季风形成的重要因素。④地形起伏，尤其是大范围的高原和高大山脉对大气环流的影响非常显著，其影响包括动力作用和热力作用两个方面。当大规模气流爬越高原和高山时，常常在高山迎风侧受阻，造成空气聚合，形成高压脊，在高山背风侧，则利于空气离散，形成低压槽。地形过于高大或气流比较浅薄时，则运动气流往往不能爬越高大地形，而在山地迎风面发生绕流或分支现象，在背风面发生气流汇合现象。比如，青藏高原相对于四周的大气来说，夏季时是热源，冬季时是冷源，这种热力效应影响着南亚和东亚的季风环流。
地球整体所表现出的大气环流（见图2.10），可归纳为由四个气压带（赤道低气压带、副热带高气压带、副极地低气压带和极地高气压带）所形成的三个环流（低纬环流、中纬环流、高纬环流）。
◎图2.10 地球大气中的四个气压带造成的三个环流
大气环流引导着不同性质的气团活动，是影响气候形成的重要因素。常年受低压控制，上升气流占优势的赤道带降水充沛，森林茂密；相反，受高压控制，下沉气流占优势的副热带则降水稀少，容易形成沙漠。来自高纬或内陆的气团寒冷干燥，来自低纬或海洋的气团温和湿润。一个地区在一年里受两种性质不同的气团控制，气候便有明显的季节变化。如我国的气候冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，就是受极地大陆气团和热带海洋气团冬夏交替控制的结果。
大气环流通过气候和气象的变化影响着我们的工作和生活，我们能感受到由大气环流带来的风雨雷电，但是我们几乎不能察觉它们的存在，更是“看不到”它们……然而，大气中有一种现象则可以为我们呈现出绚丽多彩的景象。这就是太阳风与地球大气碰撞所产生的极光。
极光一直以它的美丽和变化莫测吸引着人们的注意。最早关于极光的解释，人们把它推给了神灵，因纽特人把极光看成是导引人的灵魂上天的神灵之光。有关极光的科学解释，大多数人一直以为极光是极区冰雪反射的太阳光或大气中的冰晶颗粒形成像虹那样的折射光，1868年挪威科学家用棱镜分析极光与太阳光的光谱，发现二者明显不同，从而否定了这种看法。
极光产生的原理，目前来说还没有得到完整的验证。究其原因，一是地球大气和地球磁场变幻莫测，我们还没有掌握它们的规律；二是在对极光的研究和探测手段方面，我们还是显得比较匮乏。不过不管怎样，地球极光的产生肯定是与太阳风、地球磁场、地球大气的存在联系在一起的。
太阳风是太阳的大气（日冕）爆发时喷射出的带电高能粒子流，速度极快（到达地球时依然具有400km/s左右的速度），具有极大的能量。地球磁场（见图2.11）一般认为产生于地球的核心区，在地球周围形成了一个磁圈保护层。当太阳风吹到地球区域时，它与地球磁场的作用会形成一个弓形激波面，使得地球不会受到太阳风的直接伤害。
◎图2.11 太阳风冲击地球磁场形成极光
但是依然会有太阳风离子从地磁场的南北极区域（极尖区），沿着地球的磁力线进入地球磁场，当它们与地球大气中的带电粒子相撞时，就会产生电子的能级跃迁而发光。一般认为，这就是极光产生的原理。但是也有学者认为，太阳风所携带的离子虽然能量极大，但是只会有极少的太阳风离子“闯入”地球大气，它们的密度和能量都不足以产生那样持续的、面积很大的极光现象。对于这个疑问，美国和欧洲的卫星正在做关于极光的研究。可能的解释是，地球大气本身就存在着很多的带电粒子，太阳风离子的撞击可能会产生一种带电粒子撞击的连锁反应。再有，太阳风所带来的能量，能够激发地球磁场产生类似磁暴的现象，形成很强的磁场，而地球磁轴的方向和地球自转轴的方向存在偏角，所以也会在地球的高空大气中激发磁场，促使大气中的分子、原子电离而发光。
极光粒子流一般会沿着地球磁力线的轨迹流动，形成一块薄薄的闪光帘幕，悬挂在距地球90～150km的高空。极光的颜色取决于高空中的大气成分，氧气分子被激发后将辐射出绿色和红色的光，氮气分子被激发后将辐射出紫、蓝和深红色的光。极光的强度、形状和活跃程度，每夜都有变化，就是在一夜之中，极光也不断有强弱、位移和形状的改变。由于大气成分随着高度和地区而变化，故不同时间、不同高度出现的极光颜色也不尽相同。它们一般能够呈现的色彩包括：红、蓝、紫、灰、黄、白等。极光的形态各异，有的像帐幕，有的像圆弧，有的呈带状，有的呈线状。
在我们居住的北半球，有一条极光出现的最大等频线，这条等频线大体经过阿拉斯加、加拿大、冰岛、挪威、新地岛、新西伯利亚群岛一线，每年平均可有243夜左右能见到北极光，约占全年的2/3。冬季，那里黑夜很长，是很容易看到北极光的季节；而在夏季，由于有白夜现象，天空背景太亮，相对来说看到北极光的机会比较少，在我国黑龙江省北部，平均来说一年有一天能有机会见到极光，在内蒙古东部、吉林北部、黑龙江省南部、新疆北部，平均十年才有一天能有机会见到极光。每年见到极光最大的机会出现在三月、九月及其邻近的月份，但太阳活动强烈的年份出现极光的机会将会猛增，同时地磁活动也将会改变极光的形态和它的地理分布。