对流层
首先,从地球大气层的最底层开始。地球大气层根据温度垂直变化特征,自下而上分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。对流层是紧贴地球表面、厚度最小、但质量最集中(约占总质量的75%-80%)的一层。它的下边界是地表,上边界称为“对流层顶”,其高度随纬度和季节变化,在赤道地区平均约17-18公里,中纬度约10-12公里,两极地区约8-9公里。
其次,我们来理解其核心特征——“对流”的由来。这一层的得名源于其最显著的运动形式:空气的垂直对流运动。其根本驱动能量来源于太阳辐射。太阳短波辐射穿过大气,主要被地表吸收,使地表增温。地表再通过长波辐射、感热和潜热输送等方式加热其上的空气。靠近地面的空气受热后膨胀,密度减小,从而上升;而上层较冷的空气密度较大,会下沉。这种冷热空气的垂直交换,就是“对流”。几乎所有重要的天气现象(如云、雨、雪、雷电、风等)都发生在这一层。
第三,探讨对流层内的温度垂直分布规律。一个关键特征是:温度随高度增加而降低。平均而言,每上升1公里,气温下降约6.5摄氏度,这个数值被称为“气温垂直递减率”。这种上冷下热的温度结构,有利于对流运动的持续发展。直到对流层顶,温度降至最低点(约-60℃至-80℃),这里形成了一个稳定的逆温层或等温层,像“盖子”一样抑制了空气的进一步大规模垂直运动,大部分水汽和尘埃也被限制在对流层内。
第四,分析对流层的成分和结构特点。除了主要的氮气和氧气外,对流层含有几乎全部大气中的水汽和气溶胶。水汽是成云致雨的物质基础,其含量从赤道向两极、从地面向高空迅速减少。对流层内大气运动活跃,既有垂直对流,也有大规模的水平运动(风),因此层内混合作用强烈,空气成分相对均匀(水汽和某些污染气体除外)。由于地球自转和地表摩擦的影响,对流层中高层盛行西风。
第五,了解对流层与人类活动的密切关系。人类生活在地球表面,几乎所有的生产、生活活动都在对流层底部进行。天气变化直接影响农业、交通、能源和健康。此外,人类活动产生的大量温室气体(如二氧化碳)和气溶胶也主要积聚在对流层中,通过改变辐射平衡和云微物理过程,影响着天气尺度的极端事件和长期的气候变化趋势,其影响机制非常复杂。