大气的组成和结构

包围着地球的整个空气圈称为地球大气，简称为大气。飞机的飞行活动是在大气中进行的，所以我们必须对大气本身有充分的了解。

大气的成分

图1.1干洁空气的成分

在讨论大气中的气象现象及天气过程时，可将大气看做一种混合物，它由三个部分组成：干洁空气、水汽和大气杂质。

1. 干洁空气

干洁空气是构成大气的最主要部分，一般意义上所说的空气，就是指这一部分。由1.1可以看出，干洁空气主要由氮气和氧气构成，其体积分别占整个干洁空气的78％和21％，余下的1％由其他几种气体构成，如二氧化碳、臭氧、氩气、氖气等。干洁空气的这一比例在50km高度以下基本保持不变。

在构成干洁空气的多种成分中，对天气影响较大的是二氧化碳和臭氧。

除臭氧之外，大气中各种成分的气体几乎不能直接吸收太阳辐射，大量的太阳辐射可穿过大气层到达地面，使地面增温。二氧化碳对地球具有“温室效应”的作用，因为二氧化碳基本上不直接吸收太阳短波辐射，而地面受热后放出的长波辐射却能被二氧化碳吸收，这样热量就不能大量向外层空间散发（“只进不出”），对地球起到了保温作用。

臭氧能强烈吸收太阳紫外线，它是氧分子在太阳辐射作用下离解为氧原子，氧原子再和别的氧分子结合而形成的。在海拔10~50km的高度上，是一个臭氧含量相对集中的层次，称为臭氧层。臭氧层通过吸收太阳紫外辐射而增温，改变了大气温度的垂直分布。同时也使地球生物免受过多紫外线的照射。

2. 水汽（气态水）

地表和潮湿物体表面的水分蒸发进入大气就形成了大气中的水汽。大气中的水汽含量平均约占整个大气体积的0~5％，并随着高度的增加而逐渐减少，在离地1.5~2km高度上，水汽含量约为地面的一半，5km高度上仅为地面的1/10。水汽的地理分布也不均匀，水汽含量（按体积比）平均为：从极区的0.2％到热带的2.6％，干燥的内陆沙漠近于零，而在温暖的洋面或热带丛林地区可达3％~4％。

图1.2 水汽相变与循环示意图

水汽是成云致雨的物质基础，因此大多数复杂天气都出现在中低空，高空天气往往很晴朗。水汽随大气运动而运动，并可在一定条件下发生状态变化，即气态、液态和固态之间的相互转换。这一变化过程伴随着热量的释放或吸收，如水汽凝结成水滴时要放出热量，放出的热量称为凝结潜热。反之，液态的水蒸发成水汽时要吸收热量。水汽直接冻结成冰的过程叫凝华，而冰直接变成水汽的过程叫升华，水汽相变与循环关系如图1.2所示。

3. 大气杂质

大气杂质又称为气溶胶粒子，是指悬浮在大气中的固体微粒或者水汽凝结物。固体微粒包括烟粒、尘粒和盐粒等等。水汽凝结物包括大气中的水滴和冰粒。在一定的天气条件下，大气杂质聚集在一起，就会形成如云、雾、雨、雪等天气现象。它们使大气透明度变差，并且还可以吸收、反射和散射地面和太阳辐射，从而影响大气的温度，形成“阳伞效应”。除此之外，固体杂质还可充当水汽的凝结核，进一步形成云、雾和降水。

大气的结构

整个大气层具有相当大的厚度，从垂直方向看，不同高度上的空气性质是不同的，但在水平方向上空气的性质却相对一致，即大气表现出一定的层状结构。

大气垂直分层的依据

大气分层的主要依据是气层气温的垂直分布特点，这一特点可用气温垂直递减率来描述。气温垂直递减率定义为：

$\gamma =-{\frac {\Delta T}{\Delta Z}}$

式中$\Delta Z$ 为高度变化量$\Delta T$ 为响应的温度变化量，因此$\gamma$ 表示的是气温随高度变化的快慢。

从上式中可以看出，气温随高度上升而降低时$\gamma$ 值为正，气温随高度上升而增高时$\gamma$ 值为负。实际运用中，通常将$\gamma$ 的单位取为（℃/100 m），及每100m摄氏度。

知道某高度$Z_{1}$的气温 $T_{1}$ ，气层的气温垂直递减率为$\gamma$ ，则另一高度$Z_{2}$的气温可用下式计算：

$T_{2}=T_{1}-{\frac {(Z_{2}-Z_{1})}{100}}\cdot \gamma$

通过大气探测发现，大气结构如图所示。大气可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。

重要气层的特征

1. 对流层

对流层是因为空气有强烈的对流运动而得名，它的底界为地面，上界高度随纬度、季节、天气等因素而变化。平均而言，低纬度地区（南北纬30°之间）上界高度为17~18km，中纬度地区（纬度30°~60°）为10~20km，高纬度地区（纬度在69°以上）为8~9km。同一地区的对流层上界高度夏季大于冬季。除此之外，大气变化对对流层的厚度也有一定影响。

相对于整个大气层来说，对流层是很薄的一层，但是由于大气是上密下疏的，所以对流层集中了大于75%的大气质量和90%以上的水汽，所以云、雾、降水基本上都出现在这一层。飞机也主要在这一层中飞行。

对流层有以下三个主要特征：

（1）气温随高度升高（一般而言）而降低。对流层大气热量的直接来源主要是空气吸收地面发出的长波辐射，靠近地面的空气受热后热量再向高处传递，因此在对流层，气温普遍随高度升高而降低（$\gamma >0$），高山常年积雪就是这个道理。根据实际探测，对流层中的平均气温垂直递减率 ${\bar {\gamma }}$=0.65°C/100m。利用这一数值，如果已知某地地面气温为$T_{0}$，可以大致推算出该地 $Z$高度上的气温 $T_{Z}$。但 $\gamma$的实际值是随时间、地点、高度而变化的，按上述方法计算有时会出现误差。在对流层中虽然气温的普遍分布是随高度升高而降低，但有时也会出现y=0或y<0随高度增加而升高，我们称之为逆温层（见图1.4），它们对在 $\gamma <0$时，气层气温的气层：在 $\gamma =0$时，气层气温随高度没有变化，我们称之为等温层大气运动或某些天气现象的形成具有特殊的作用，这将在后面讨论。

（2）气温、湿度的水平分布很不均匀。对流层与地面相接，其温、湿特性主要受地表性质的影响，故在水平方向上分布很不均匀。如南北地区空气之间明显的温差，海陆之间空气的湿度差异等.

（3）空气具有强烈的垂直混合。由于对流层低层的暖空气总是具有上升的趋势，上层冷空气总是具有下沉的趋势，加之温度水平分布不均匀，因此对流层中空气多垂直运动，具有强烈的垂直混合。

对流层中，按气流和天气现象分布的特点可分为下、中、上三个层次：对流层下层（离地1500m高度以下）的空气运动受地形扰动和地表摩擦作用最大，气流混乱。中层（摩擦层顶到6000m高度）空气运动受地表影响较小，气流相对平稳，可代表对流层气流的基本趋势，云和降水大多生成于这一层；上层（从6000m高度到对流层顶）受地表影响更小，水汽含量很少，气温通常在0℃以下，各种云多由冰晶或过冷水滴组成。

在离地1500m高度的对流层下层又称为摩擦层，在1500m高度以上，大气几乎不受地表摩擦作用的影响，故称为自由大气。

2.平流层

运输机的高度可达到平流层低层。平流层中空气热量的主要来源是臭氧吸收太阳紫外辐射，因此平流层中气温随高度增高而升高，整层空气几乎没有垂直运动，气流平稳，故称之为平流层。平流层中空气稀薄，水汽和杂质含量极少，只有极少数垂直靛展相当旺盛的云才能伸展到这一层来，故天气晴朗，飞行气象条件良好。平流层大气受地表影响极小，空气运动几乎不受地形阻碍及扰动，因此气流运动，温、湿分布也比对流层有规律得多。对流层与平流层之间的过渡气层叫对流层顶，它的作用就像一个盖子，阻挡了下层水汽、杂质的向上扩散．使得对流层顶上、下的飞行气象条件常有较大差异。

3.中间层

中间层又称中层，是自平流层顶到85km之间的大气层。在该层因臭氧含量低，同时，能被氮、氧直接吸收的太阳短波辐射大部分已经被上层大气所吸收，所以温度垂直递减率很大，对流运动强盛。中间层顶附近的温度约为190K。该层中距地表60~90km高度上，空气分子吸收太阳辐射后可发生电离，习惯上称为电离层，也叫D层。中间层在高纬度、夏季、黄昏时可能有夜光云出现。

4.暖层

暖层是指中间层顶（约85km）至250km（太阳宁静期）和500km（太阳活动期）左右之间的大气层，又称热层。暖层几乎吸收了波长短于1750Å的全部太阳紫外辐射，成为主要热源，暖层温度结构主要受太阳活动的影响。从暖层底部向上，大气温度迅速增加，层内温度很高。到达暖层顶温度梯度消失，层顶温度可达1500K。昼夜变化很大，暖层下部上有少量的水份存在，因此偶尔会出现银白微带青色的夜光云。

5.散逸层

暖层以上的大气层称为散逸层，亦称外层、逃逸层，是地球大气的最外层，主要成分是氢和氦。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子和氦核的含量大大超过中性氢原子的含量。逃逸层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同，故又常称为外大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球引力场进入太空。逃逸层的温度极高，由低到高呈垂直分布，随高度增加而略有增加。

从航天考虑，通常把大气成分分成两个部分。150km以下为低层大气或稠密大气，150~930000km称为近地宇宙空间。在低层大气中飞行，由于受到很大的空气阻力，如不用动力装置就不能围绕地球飞行，但是，在150km以上，不需要发动机，飞行器也能依靠惯性绕地球飞行。

标准大气

实际大气状态是在不断变化着的，而飞机的性能和某些仪表（高度表、空速表等）的示度，都与大气状态有关。为了便于比较飞机性能和设计仪表，必须以一定的大气状态为标准。

表1.1 标准大气

所谓标准大气，就是人们根据大量的大气探测数据，规定的一种特性随高度平均分布最接近实际大气的大气模式。

目前由国际民航组织统一采用的标准大气，与我国45°N地区的大气十分接近，低纬度地区则有较大偏差。我国规定，在建立自己的标准大气之前，取其30km以下部分作为国家标准，其特性规定如下：

（1）干洁大气，且成分不随高度改变，平均分子量m=28.9644；

（2）具有理想气体性质：

（3）标准海平面重力加速度g₀=9.80665m/s²；

（4）海平面气温T₀=288.16K=15℃；海平面气压P₀=1013.25hPa=760mmHg=1个大气压；海平面空气密度ρ₀=1.225kg/m3

（5）处于流体静力平衡状态；

（6）在海拔11000m以下，气温直减率为0.65℃/100m；从11000～20000m，气温不变，为-56.5℃；从20000~30000m．气温直减率为-0.1℃/100m。

标准大气的气温、气压和相对密度（某高度的空气密度与海平面空气密度之比）随高度的分布情况见表1.1。