大气层与我们的世界（一）

非常幸运，我们生存的星球有一个堪称完美的大气层。众所周知，

大气中的氧气是我们不可须臾离开的物质。其次，大气还给我们提

供了所有的食物。我没说错，空气是不能吃，但大气中的二氧化碳

和水是所有植物通过光合作用而生长的基本原料（千万别告诉我

“何不食肉糜”）。除此以外，大气层的存在使地球成为了所有生命

体（包括我们人类）得以生存和繁衍的家园。

按照“适者生存”的理论，与其说大气层是为地球的生命体专门设

计的，不如说生命体主动适应了并完善了这样的大气环境。这在一

定程度上是对的，比如生命体内极其复杂的由C、H、O、N、S、P

等元素为主体的化学结构都是这样长期适应，精雕细刻而缓慢形成

的。这些特殊的元素及相应的复杂结构决定了生命体的无穷奥妙，

也决定了生命体对外界条件（如大气、温度、电磁辐射、粒子冲刷

等）很低的极限承受力，成为了自然界中最脆弱的原子集合体。除

非是由其它元素组成的铁石心肠的钢铁侠。

因此，所有生命体都要感恩大气层。而作为处于生命体顶端的人类，

深入了解，细致研究，精心呵护，合理利用大气层是我们义不容辞

的责任。

因为地球的引力，大气主要集中在地球表面，离地表越远大气越稀

薄。到100Km 高空，气体的浓度只有地表的大约百万分之一了。大

气层的主要成分是氮气和氧气（海平面两者的体积比分别为78.08 和

20.95%），还有水汽、氩气、二氧化碳、臭氧、氦气等数十种气体，

其中包括有些含量虽微不足道，但影响不小的人类排放气体。除了

气体之外，还有许多极细的液滴和粉尘漂浮在空中。

大气的成分并不是完全均匀分布在整个大气层的，总体来说，越重

的分子（原子）越富集于底层。此外，其它因素也影响气体分子的

分布，如绝大部分的水汽（尽管水分子比氮气、氧气分子轻）集中

在离地表不远的对流层；臭氧主要分布于约15-35Km 高度范围。

不同高度大气层的温度表现得很奇特，呈现ε 形曲线。如图1 所示。

人们常根据温度曲线的极值将大气层分为四个层次。

离地面往上到平均海拔约14Km，温度逐渐降低，大约每升高100 米

降温0.65℃。因为气体的温差必然会产生对流（后面再说原因），故

此区域称为对流层。

进入平流层后，温度由下往上缓慢上升直到与地面温度相似。从图1

可以判断这大概与臭氧有关。

进入过渡层后，温度又下降直到约-80℃。一般认为这是地球与宇宙

的分界层，因为再往上情景就与地球环境大不相同了。

进入热层后，很多分子被肢解得支离破碎，故又称为电离层或等离

子层。此层的温度逐渐上升，直到近1000℃。

以上是大气层的主要信息，大家都可以从教科书中找到。我的主要

的原因和奥秘。希望读者朋友们能跟我一起动脑子。

既然我们谈到温度，就从温度开始吧。

首先我们必须搞清楚一个问题：温度是什么？

一般对温度的定义是“冷热程度的量度”。这是所有人熟悉的概念，

无论摄氏、华式，绝对温标，数字越大越热，一目了然，清清楚楚。

其实这个定义不够全面，甚至不准确。

很早就有科学家提出，物质中微观粒子运动幅度越大，温度越高。

对于大气来说，温度是气体分子平均平移动能的表现。以下简单的

公式来自于分子运动论的简单推导，但是非常靠谱。

Ek = 1.5 kT （1）

T 为绝对温度，k 为波尔茨曼常数，Ek 为分子的平均平移动能。

因为平移动能是质量乘以速度的平方，也就是说：分子的运动速度

越快，气温越高。

可以想象，酷暑时空气分子运动很快，无数个（每立方米约十的二十五次方个）

小得看不见的高速运动的分子频繁地像台球一样撞击我们身体，迫

使体内正常活动但幅度较小的原子加速，我们感觉到热。而在严冬，

体内正常运动的原子反过来对慢速贴近的空气分子施加推力，使能

量外溢，则感觉冷。

还可以想象，快速运动的分子更容易互相碰撞，所以必然要占据较

大的空间。就像十名篮球运动员要占据整个篮球场，但此场地可以

容纳一百名太极拳运动员。因此，热气球内的分子比较稀疏，能够

升空，尽管高温分子与低温分子的质量是一样的。图2 显示了升空

时热气球与氢气球（氢气分子质量比空气小很多）的区别。

对流层的特点可总结为：下热上冷，下稀上密。地面的热空气（近

似为巨大的“热气球”）上升，高海拔处密集的冷空气向稀疏的下层

扩散，形成上下对流。

可能有人会反驳：刮大风时，分子运动速度快，但通常大风伴随着

降温。难道这个热力学结论出问题了？我们还是先算算账吧。按式

（1）计算，空气分子在0℃常压下的平动速度485m/s（氢气分子

1838m/s）。但大量分子的无规运动不产生总体的流动。宏观的风是

分子总体的流动，从风速（和风6m/s，12 级飓风35m/s）可以看出，

只需要少数分子大体定向运动即可实现，而与分子本身的平移动能

基本无关。

在相同海拔高度时，空气只能从低温的分子密集区向高温的分子稀

疏区单方向流动（不是对流），形成我们熟悉的风。按气象学术语，

风是空气从高压区向低压区流动所致，似乎没提温度。其实是一回

事，十名篮球运动员（相当于热分子）对地板的压力较小，而百名

太极拳运动员（相当于冷分子）对地板的压力大。因此，所有地面

的自然风，无论季风、微风、阵风、飓风、龙卷风，影响因素固然

很多，但其根源都是空气从低温处向高温处的单向流动。这也是前

面提到的大风降温的原因。人们熟知的“一阵秋风一阵寒”，“凉风

习习”等莫不如此。只有毛主席在庐山顶发现“热风吹雨撒江天”

的情景例外，但这应该是当时山下巨大“热气球”上升占优势所致。

此外，人们用电扇、蒲扇等造成的风不是来自低温处，故没有降温

效果，不过通过空气的流动加速人体皮肤的水份或汗水挥发，带走

体内的热量而已。

对于液体，式（1）不好用作定量了，因为与理想气体不同，液体分

子间有较强的作用力。但定性趋势相同。如果我们向一杯热水和一

杯冷水中分别各滴加一滴墨水，不加搅拌，热水中墨水很较快扩散

和混匀，而冷水中此过程较慢。

对于固体，分子的平移是非常不可能的，升高温度只能加剧原子的

震荡，迫使相邻原子避让。这就是“热胀冷缩”这个普遍现象的根

本原因（只有极个别的例外，但不在此讨论）。

有朋友会问，如果压根没有分子（或其它微观粒子），哪来的动能，

温度怎么算？事实上，在绝对真空下，温度没有意义（理想气体方

程式：PV = nRT，真空时，压力P 和分子数n 均为0，温度T 算什

么？）。实际上，绝对真空是不存在的。热水瓶胆有一定真空度，胆

内只有很少的残存分子，即使温度（动能）不低，但接触外壁的机

会小，热传导效率也很小，故在一定时限内有隔热效果。

从图1 可见，在海拔300Km 往上，温度可达近千度。而空间站在

400Km 高度。我们是否应该为航天员担心？实际上，高空的分子

（或微观粒子）的飞行速度确实非常高，按动能算温度非常高，但

非常稀薄，接近真空，人们不会有热的感觉。

所以，人们对于热的感觉不仅要看温度数值，还要看人们接触此温

度载体的分子的数量。这很重要，如果您在80℃的蒸汽房蒸桑拿感

觉不错，千万不要用80℃的热水洗澡。

知道了这个道理，我们完全可以理解核聚变实验中的托卡马克的温

度可达50,000,000℃。只要能够避免等离子流与器壁接触，就不必太

担心器壁材质的承受极限。

所以，按照分子动能定义的温度是客观的表示，与人或物体的感受

没有必然关系。

知道了温度的微观概念，这是我们认识大气层的第一步。

现在我们进入第二步，大气层的温度（或者说是微观粒子的动能）

是怎样改变的？

根据我们的生活经验，改变温度的办法很多，如燃烧木柴、煤、天

然气，开启空调、冰箱、暖气、电炉、红外灯、微波炉、敷加热

贴….。但是，这些办法只能用于很小的空间（这对我们够了），不

能够改变室外的自然温度，更不必说大气层了。

但是从以上办法中涉及到的科学原理，再加上大气层的有限条件，

我们大致可以猜想到影响大气层温度变化的主要因素。

我们大概都知道，红外线和微波都是能够加热的（而其它射线基本

不行或效果较差）。红外线和微波是电磁波的一部分，而太阳可以大

范围大量地免费供应，虽然在单位空间内没有家用电器的功率那么

大。实际上，太阳光（电磁波）对大气层有重要关系。很可能电磁

波就是那只无形的手操纵了一切。

太阳离我们1.5 亿Km，看起来挺远，实际从太阳发出电磁波只要500

秒即可到达地面。从图3 可见，太阳发出的电磁波的波长分布非常

宽，从γ射线（0.01 nm 级）到无线电波（Km 级），但峰值正好在可

见光的范围（380-760 nm）。可见光区左侧包括γ射线、X 射线及紫

外线，总称为紫端波；右侧包括红外线、微波以及未在图中标出的

无线电波，总称为红端波。根据普朗克定律，太阳的波长分布相当

于5500℃的黑体发出的辐射，这就是太阳的表面温度。

在此应该插入一段，黑体辐射定律是物理学中最精彩的部分之一，

不仅奠立了量子力学，而且阐明了温度与电磁波谱的关系，因此也

可作为温度的另一个科学定义（其实与分子动能的温度定义的微观

本质相通）。人们由此发明了高温设备的红外测温、黑夜红外探测等

技术，包括目前时兴的手持式体温探测枪等。

图3 还显示，地面的电磁波的波长分布和太阳电磁波大体相似，最

高峰正好也在可见光区。但大部分紫端波消失，而红端波增加。我

们不妨把这个现象称为“紫消红涨”。

显然，紫端波是大气层“吃”掉的，而地面多出的红端波肯定是地

面产生的。

现在我们应该可以理解，为什么地面的温度高，越往上越冷的原因

了。很简单，因为地面产生了大量的红外线（远远超过太阳光的直

接贡献）将地面的万物和底层空气加热了。所以，地球表面的热流

方向是从下往上，而不是从上往下。

此处未提微波，因其量太小，可以忽略。

以上的解释和推理是合理的，因为符合对流层的基本事实。

但是这只是整个故事的开场白，还有许多问题没有解决。

一、 为什么加热的是红外线，其它波段干啥去了？

二、 地面大量的红外线是怎么产生的？

三、 经验告诉我们，太阳照射使地面温度升高，如何解释？

四、 什么是温室效应？

五、 人们关注的二氧化碳在温室效应中到底是什么角色？

六、 大气层是如何“吃掉”紫端波的？（图3 已提及，尚未解释）

……

的现象尚未触及，更没有顾及到平流层、过渡层、热层的问题。wu

欲知后事，请看下集。