大氣層結構視覺化圖(對流層・平流層・中間層・熱層・外逸層)

在一張可點選的縱向示意圖中,從地表到外太空探索大氣層的結構(對流層・平流層・中間層・熱層・外逸層),同時顯示臭氧層、卡門線、國際空間站軌道等參考高度。

大氣層與標記一覽

名稱 型別 大致高度 說明
對流層 大氣層 0–12km 最靠近地表的一層,雲、雨、雪等幾乎所有天氣現象都發生在這裡。海拔越高氣溫越低,頂部氣溫可降至零下50℃左右。
客機巡航高度 標記(參考高度) 10–12km 大型客機長途飛行時的典型巡航高度。飛行在對流層與平流層交界附近,可以兼顧燃油效率和減少顛簸。
平流層 大氣層 12–50km 含有臭氧層,吸收紫外線後氣溫隨高度上升。空氣對流少、狀態穩定,客機常在其下部巡航飛行。
臭氧層 標記(參考高度) 15–35km 位於平流層內、臭氧濃度較高的一層。它吸收了太陽紫外線中的大部分有害成分,保護地面上的生物。
中間層 大氣層 50–85km 大氣中氣溫最低的一層,頂部氣溫可降至接近零下90℃。流星在進入大氣層後大多在此層燃燒發光並消失。
熱層 大氣層 85–600km 吸收太陽的紫外線和X射線後氣溫急劇上升的一層。極光在此層出現,國際空間站(ISS)也在此層內繞地球飛行。
卡門線 標記(參考高度) 100km 國際航空聯合會(FAI)所定義的"太空邊界"高度。飛行超過這一高度通常被稱為"太空飛行"。
極光出現高度 標記(參考高度) 100–300km 太陽風與地球磁場、大氣相互作用而發光的現象,多在這一高度範圍內被觀測到,常見於高緯度地區。
國際空間站(ISS)軌道 標記(參考高度) 400km 宇航員長期駐留的國際空間站繞地球飛行的大致高度。這一高度仍存在極稀薄的大氣,會使軌道逐漸衰減,因此需要定期進行軌道修正。
外逸層 大氣層 600–10000km 大氣最外層,空氣密度極其稀薄,沒有明確的上邊界,逐漸融入外太空。大多數人造衛星執行在此層之下的熱層中。

大氣的分層是什麼

本工具把自地表直到太空的大氣分作對流層、平流層、中間層、增溫層、外氣層五層,畫成一條縱向的長圖。臭氧層、卡門線、國際太空站的軌道等可作路標的高度,也置於同一幅圖上。

首先須弄清的是,這五層並非按高度機械切開,而是依氣溫隨高度如何變化來劃分的。 對流層裡愈高氣溫愈低,平流層裡反而回升,中間層再度下降,增溫層又一次上升。層與層的界面(對流層頂、平流層頂、中間層頂),恰是這升降調轉的那個高度。 劃線所憑的並非密度或成分。

平流層之所以愈高愈暖,是因為那裡的臭氧吸收太陽紫外線並化作熱。 於是臭氧層既是擋住有害紫外線的一層膜,也正是造出大氣溫度結構的那一層。下冷上暖的排布本就難以上下翻騰,故而平流層裡空氣縱向不易混合,雲也幾乎不生。客機取道對流層上緣飛行,正為把惹出顛簸的對流甩在身下。

增溫層常被說成「超過1,000℃」,可人到了那裡並不覺得暖。 氣溫所量的是單個分子運動的劇烈程度,而非傳來的熱量多少。增溫層裡分子極其稀疏,撞到身上的分子寥寥無幾,熱也就幾乎傳不過來。氣溫之高與體感之暖並非一回事,這便是身邊最清楚的一例。

使用的步驟

  1. 點擊圖中的某一層 該層的高度範圍與特徵隨即顯示。
  2. 追隨氣溫的變化 每一層都與下一層反著來。 轉折在何處,一目了然。
  3. 與路標高度相對照 臭氧層、卡門線、國際太空站的軌道皆畫在同一幅圖上。
  4. 在圖與表之間來回 先以圖把位置抓住,再以表核對數值,記得更牢。

用好本工具的小技巧

  • 依次點選對流層到外逸層這5個不同顏色的層,可以比較各層之間氣溫變化的差異。
  • 卡門線、國際空間站軌道等"標記"指的是某一層內的特定高度,同樣可以點選檢視詳情。
  • 比較客機的巡航高度與對流層、平流層的交界處,能夠直觀理解客機為何選擇在那個高度飛行。
  • 示意圖採用對數刻度(高度越高,每公里對應的顯示寬度越窄)繪製,以便在一張圖內完整展示從地表到數千公里高空的範圍。

這些情境會用到

學校自然科要記層的次序時

縱向排開來看,比死記名字更易記住次序。

想知道飛機飛在何處時

巡航高度在對流層上緣附近。 為何要飛在雲上,也一併明白。

查太空的界線時

卡門線是畫在約100公里處的一個約定,並非實體的牆。

核對極光與流星的高度時

二者皆發生在圖的上部,可與所屬的層一一對應。

這一領域的術語

對流層
自地表至約10公里上下的一層。氣象現象幾乎盡在此處,且愈高氣溫愈低。
平流層
對流層之上的一層。臭氧吸收紫外線,故而愈高氣溫愈高。
中間層
平流層之上,氣溫再度下降的一層。流星發光,大致就在這個高度。
增溫層
中間層之上的一層。氣溫數值極高,可分子稀疏,熱幾乎傳不過來。
臭氧層
平流層之中臭氧尤為密集的區域。吸收紫外線,並造就平流層的溫度結構。
卡門線
畫在約100公里處、與太空分界的參考。並非自然的界線,而是權宜的約定。

常見問題

通常按照距地表由近到遠分為對流層、平流層、中間層、熱層、外逸層這5層。本工具也採用了這一常見分類作為基本區分。

國際航空聯合會(FAI)將高度100km的"卡門線"定義為太空的官方邊界。不過美國空軍等機構有時也將高度約80km作為邊界,因此該定義並非全球統一。

臭氧層位於平流層內,大致在高度15〜35km的範圍,主要作用是吸收太陽紫外線中的大部分有害成分。

ISS大致在高度400km左右(熱層內)繞地球飛行。由於該高度仍存在極稀薄的大氣,軌道會逐漸衰減,因此需要定期進行軌道抬升操作。
工具君

閒話 ― 為什麼天空是藍色的,而太空卻漆黑一片

白天的天空之所以呈現藍色,是因為一種叫做"瑞利散射"的現象:太陽光撞擊對流層中的空氣分子時,波長較短的藍光比其他顏色的光散射得更強烈。隨著高度上升、空氣變得稀薄,這種散射逐漸減弱,因此越過平流層之後,天空的顏色會逐漸由藍色變得接近黑色。

大氣層之間的邊界,是根據氣溫變化方向發生逆轉的高度來定義的。在對流層中,氣溫隨高度上升而下降;但進入平流層後,由於臭氧層吸收紫外線,氣溫轉為隨高度上升而升高。這個"氣溫變化方向發生逆轉"的分界,被稱為"停變層"(對流層與平流層之間稱為對流層頂,平流層與中間層之間稱為平流層頂,以此類推)。

流星是漂浮在宇宙空間中的微小塵埃或岩石高速衝入地球大氣層,與空氣摩擦生熱而發光的現象。它主要發生在中間層(高度約50〜85km),大多數流星都會在這一層內完全燃盡。極少數未完全燃盡而到達地面的碎片,則被稱為"隕石"。