第一节 大气的组成和垂直分层
课前引入
2012年10月14日，奥地利“坠落人”鲍姆加特纳在美国西南部乘坐太空舱升空。约3小时后，他上升至39千米高空。随后，他从那里跳下，4分钟后才打开降落伞，成为第一个自由落体速度超音速的人（图2.1）。他配备的特制宇航服，外表绝缘，密封的内层中填充加压氧气；头盔内有液氧系统，护目镜中装有温度调节器。39千米高空的大气与地面大气有哪些不同？鲍姆加特纳为什么需要配备特制宇航服？
大气的组成
如今的大气成分是地球长期演化的结果，在短时期内不会有明显的变化。低层大气中除去水汽和杂质以外的混合气体，称为干洁空气。25千米以下的干洁空气中，氮气和氧气合占总体积的99%（图2.2）。氧是人类和其他生物维持生命活动所必需的物质；氮是地球上生物体的基本元素。
大气中二氧化碳和臭氧含量虽少，但对地球上的生命活动和自然环境有着重要作用。二氧化碳是绿色植物进行光合作用的基本原料，另外，它吸收地面辐射的能力强，使气温升高。臭氧能吸收太阳光中的紫外线，使大气增温；减少到达地面的紫外线，对生物具有保护作用。
大气中的水汽和杂质含量很少，却在天气变化中扮演重要角色。水的相变，产生云、雨、雾、雪等一系列天气现象，同时伴随着热量的吸收和释放，直接影响地面和大气的温度。大气中的杂质作为凝结核，是成云致雨的必要条件。大气中的水汽和杂质含量，因时因地而异。
人类活动排放的污染物进入大气，会影响大气的成分和含量，产生大气污染（图2.3），对生态系统和人类生存造成不利影响。
案例：大气中二氧化碳含量的变化与人类活动
在过去80万年的绝大多数时间里，大气中二氧化碳体积分数的变化相对平缓。然而，从1740年到2011年，短短不到300年的时间里，二氧化碳体积分数增加了40%多（图2.4）。二氧化碳体积分数的增加，基本上都来自化石燃料的燃烧和土地利用的变化（主要是毁林）。化石燃料燃烧，会释放二氧化碳；森林面积缩小，会减少森林对二氧化碳的吸收量。
活动：了解大气含氧量减少对人体产生的影响
大气中氧气含量对人体健康至关重要。科学研究发现，适当的缺氧环境利于激发运动员的运动潜力。但含氧量太低会危害人体健康甚至危及生命。我国已建成甘肃榆中、青海多巴、云南海埂、河北兴隆、云南呈贡等国家级高原体育训练基地（表2.1）。
1. 在奥运会等世界重大体育赛事中，来自非洲埃塞俄比亚、肯尼亚的中长跑运动员往往成绩优异。在非洲地形图上，找出这两个国家，归纳它们共同的地形特点。由此，你能推测这两个国家中长跑运动员成绩优异的原因吗？
2. 在中国地图（地图册或教学挂图）上找到表2.1所列的高原训练基地的位置。
3. 目前，世界公认的平原运动员进行高原训练的最佳高度为海拔1 800—2 400米。表2.1中所列的高原训练基地的海拔在这个范围内吗？参照表2.2推测运动员在更高海拔训练反而达不到理想成绩的原因。
大气的垂直分层
地球大气从地面向上，可延伸到数千千米高空。根据温度、运动状况和密度，大气自下而上可以划分为对流层、平流层和高层大气（图2.5）。
- 对流层
对流层是大气圈的最底层，集中了大气圈质量的3/4和几乎全部的水汽、杂质，大气中的污染物也多集中在这一层。对流层的高度因纬度而异，在低纬度地区为17—18千米，在高纬度地区仅为8—9千米。对流层气温随高度的升高而递减，在对流层的顶部气温降至–60℃。
对流层的大气上部冷、下部热，有利于大气的对流运动。低纬度地区受热多，对流旺盛，对流层所达高度就高。近地面的水汽和杂质通过对流运动向上输送，在上升过程中随着气温降低，容易成云致雨（图2.6）。云、雨、雾、雪等天气现象都发生在这一层。人类生活在对流层的底部。
（二）平流层
平流层范围自对流层顶部至50—55千米高空。平流层气温随高度升高而升高。该层大气的下层气温随高度变化很小，但是在30千米以上，气温随高度增加而迅速上升。这是因为平流层中的臭氧吸收大量太阳紫外线，使大气增温。在22—27千米范围内，臭氧含量达到最大值，形成臭氧层。臭氧层使地球上的生命免受过多紫外线的伤害，被称为“地球生命的保护伞”。平流层的大气上部热、下部冷，不易形成对流，以平流运动为主。该层大气中水汽和杂质含量很少，无云雨现象，能见度好，适合航空飞行。鲍姆加特纳从空中跳下的高度就在平流层范围内。那里氧气稀薄、气温低，必须配备特制的宇航服。
- 高层大气
平流层以上的大气统称高层大气。自平流层顶部开始，由于没有吸收紫外线的臭氧，气温会下降；随后，由于大气吸收了更短波长的太阳紫外线，温度又持续上升，在300千米的高空，温度可达1000℃以上。
在80—120千米的高空，多数来自太空的流星体会燃烧，成为我们夜晚看到的流星。在80—500千米的高空，有若干电离层。电离层大气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态，能反射无线电波，对无线电通信有重要作用。
高层大气的空气密度很小。在2000—3000千米的高空，大气的密度已经与星际空间的密度非常接近。这里的一些高速运动的空气质点经常散逸到宇宙空间，这个高度可以看作是地球大气的上界。
思考
1.为什么平流层适合飞机飞行？
2.无线电通信利用了哪层大气的特性？
自学窗：全球合作保护臭氧层
20世纪80年代初，科学家观测发现，南极上空每年春季臭氧含量比之前有大幅度下降，并将这一现象称为“臭氧空洞”。“臭氧空洞”的出现，表明臭氧层被破坏，臭氧含量减少。
为了保护臭氧层，国际社会于1985年缔结了《保护臭氧层维也纳公约》（以下简称《公约》），开启了全球携手保护臭氧层的历程。1987年9月16日，46个缔约方在加拿大蒙特利尔达成了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》（以下简称《议定书》），限制生产和使用氯氟碳化物等消耗臭氧层的物质。1995年，联合国大会决定，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。
《公约》和《议定书》得到了全世界绝大多数国家和地区的支持，成为联合国数百个公约中参与度最高的公约。《公约》及其《议定书》的有效实施，使得“臭氧空洞”开始缩小，在全球范围内避免了数百万例可能由紫外线带来的人类疾病，如皮肤癌、白内障等。另外，保护臭氧层还减缓了气候变化的幅度。
目前，人类面临的全球性环境问题，如全球变暖、臭氧层破坏等，都需要国际合作才能解决。保护臭氧层的成功，成为全球合作成功解决这类问题的典范。
问题研究：何时“蓝天”常在
2013年1月，四次大气污染过程笼罩我国30个省（自治区、直辖市）。2013年9月，国务院发布《大气污染防治行动计划》，简称“大气十条”。“大气十条”颁布实施之后，全国相继打响了“蓝天保卫战”，空气质量有了明显改善。2017年，全国74个重点城市大气优良天数比例为73.4%，比2013年上升7.4%；大气重污染天数比2013年减少51.8%。然而，如何让“蓝天”常在，如何减少大气污染特别是大气重污染天数，是摆在公众、政府和科学家面前的一项重大工程。
对这一课题的探究，建议采用以下思路。
资料1大气污染及其危害
大气污染是指自然或人为原因，使大气中某些成分超过正常含量，或有毒有害的物质进入大气，对人体健康、生态系统等造成危害的现象。大气污染范围和强度受污染物和污染源的性质、气象条件以及地表特点等影响。大气中有害物质的浓度越高，污染就越重，危害也就越大。
根据空气质量指数，可以将空气质量划分为六个级别（表2.3）。评价空气质量选取的主要污染物有细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。
资料分析
1.概括大气污染的特点和危害。
2.讨论影响我国大气污染的主要因素。
资料2我国近些年大气污染较为严重的原因
综合来看，我国近些年大气污染较为严重的原因主要有以下几方面。
资料分析
1. 上述原因中哪些是人为原因，哪些是自然原因？
2. 除上述原因外，造成我国近些年大气污染较为严重的原因还有哪些？
资料3发达国家大气污染及治理案例
1943年，美国洛杉矶汽车尾气排放的大量碳氢化合物在城市上空聚集，在太阳紫外线照射下发生化学反应，形成了浅蓝色烟雾。这种烟雾使很多市民眼睛红肿、头疼、呼吸道受损。后来，人们把这种大气污染称为“光化学烟雾”。光化学烟雾发生后，美国联邦与州政府通过立法、工业技术创新、民众宣传教育等手段进行治理。直到2007年，洛杉矶地区的空气才达到了清洁标准。
1952年12月5—9日，英国伦敦发生了震惊世界的“伦敦烟雾事件”（图2.18）。主要污染物为烟煤燃烧产生的二氧化硫、三氧化硫和烟尘，使得伦敦市民呼吸道病患剧增。之后，英国政府正式向空气污染宣战，颁布了治理法令。直至1980年，伦敦的烟雾日下降到5天。“雾都”伦敦终于迎来了清洁的空气。
资料分析
1. 洛杉矶的“光化学烟雾”和“伦敦烟雾事件”相比，人为原因有何不同？
2. 仅考虑人为原因，试对“洛杉矶烟雾治理时间比伦敦烟雾治理时间更长”作出合理解释。
形成观点并讨论
通过网络收集并整理我国政府为治理大气污染所采取的措施。结合我国近年来大气污染较为严重的原因和发达国家治理大气污染所用的时间，对“何时‘蓝天’常在”这一问题给出自己的观点，并在班级进行讨论。
探索：民航客机的飞行高度
民航客机的飞行分为起飞、巡航和降落三个阶段。航程主要为巡航，也就是平飞阶段，其飞行高度以舒适、经济为原则。我国民航规定，中型以上的民航客机都在海拔7000-12000米的高空飞行，其中大型民航客机一般在11000米上下的高空飞行。
这个空间大气垂直运动较少，以水平运动为主，飞机在其中受力比较稳定;水汽和尘埃含量少，能见度大;对地面产生的噪声污染相对较小;飞鸟飞行一般达不到此高度，可以避免机鸟相撞的事故。
思考大型民航客机的飞行高度主妥位于大气层的哪一层?
学习指南
大气的主要组成物质有哪些？
大气垂直分层有什么特点?对人类有哪些影响?
提示：学习本课时比较分析对流层、平流层和高层大气的特征。联系生活分析哪些现象反映了各层大气对人类生产生活的影响。
本节的主要概念是大气。
大气的组成
从浩渺的宇宙中看地球，它的表面好像被一层”薄纱”所包裹着。这层”薄纱”就是大气。
地球上的大气不仅满足了地球上生物维持生命的需要，而且是地球自然地理环境的重要组成部分，对人类的生产和生活也发挥着重大作用。
现代地球大气是距今3.5亿年前，当陆地上开始出现大量植物时，才逐渐演变形成的。大气是由干洁空气、固体杂质和水汽等组成的混合物。干洁空气的主要成分有氮气和氧气，其次是氢气、二氧化碳、甲烷和臭氧等。
氮气（N2）氮气是大气中含量最多的气体。氮元素是生物体内蛋白质和很多复杂化学物质的组成部分，是生物体健康生长必不可少的元素。
氧气(02)氧气是大气中含量仅次于氮气的气体，是众多生物生命活动必需的物质。
二氧化碳(C02）二氧化碳主要来自火山喷发、动植物的呼吸以及人类活动。二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料，是一种重要的温室气体，对地面具有保温作用。近几十年来，二氧化碳浓度升高使”温室效应”加剧，对全球气候产生深刻影响，已经引起人们的高度重视。
臭氧(03）高空的氧，在太阳紫外线的催化作用下，形成了由3个氧原子组成的臭氧。臭氧的浓度在垂直方向上分布不均。距离地面20-25千米是臭氧浓度最高的区域，称为臭氧层。臭氧能吸收太阳辐射中的紫外线，使地面上的生物免受紫外线伤害，因而被称为地球生命的”保护伞”.但是在低层大气中，臭氧浓度增高会对人体的健康造成一系列不利影响。
水汽(H20）大气中的水汽含量随着时间和地点的不同而变化。
沙漠和极地地区的大气中，水汽含量极少，而在热带雨林地区，水汽在大气中的比重约占到5%。水汽是影响天气变化的重要因素。当大气中的水汽凝结成液体微滴或者:凝华成冰晶时就形成了云。如果这些小颗粒变得足够大，它们就以雨、雪等形式降落。
由于自然和人为原因，大气中增加了许多新的组成成分，主要包括气溶胶和污染气体。它们留存于大气中，构成大气的临时组成成分。
思考：大气的组成有哪些变化?这些变化对人类生产、生活有什么影响?
名词链接：
气溶胶：大气中均匀分布着相当数量的团体微粒和液体微滴，如海盐、粉尘、灰尘、烟尘和有机物等，它们所构成的稳定混合物，统称为气溶胶。气溶胶的产生，除了来自火山爆发、流星体燃烧、森林火灾、海浪飞沫、风沙土尘和植物花粉传播等自然过程外，更主要的是来自人类活动，如工业生产、生活燃料以及各种交通工具排放产生的烟雾粉尘等。
污染气体：随着工业和交通运输业的发展，许多有害气体会被排放到大气中，它们被称为污染气体，主要有二氧化硫、一氧化碳、硫化氢、氟化氢、二氧化氮、一氧化氮和氨气等。污染气体的排放在工业和交通发达的城市尤为严重。污染气体的含量虽然很少，却给人类的健康和生存环境带来严重危害。2016年9月27日，世界卫生组织发布的报告指出，全球每年有几百万人的死亡原因与空气污染有关。
活动：评价分析当地的空气质量
空气质量指数(AQI)是定量描述空气质量状况的数值。空气质量评价采用的主要污染物包括二氧化硫、二二氧化氮、细颗粒物(PM10，PM为颗粒物的英文缩写)、可吸入颗粒物(PM2.5，指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物)、一氧化碳和臭氧等6种。空气质量指数分为六级:0-50、51-100、101-150、151-200、201-300和大于300，对应的空气质量分别为优、良、轻度污染、中度污染、重皮污染和严重污染。
雾霾天气是一种大气污染状态。雾霆主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物等组成。雾霾中的可吸入颗粒物颗粒小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响大。我国部分地区已把雾霾天气列入灾害性天气进行预警预报。
.查出你所在地区当天的空气质量指数，分析空气质量属于哪一级。
.哪些人类活动会造成大气污染?探讨并列举出你所在地区减少大气污染的三项措施。
大气的垂直分层
在大气圈中，随着高度的变化，大气的物理性质和运动状况都会发生很大的变化。根据大气在垂直方向上的物理性质和运动状况，可以将大气分为对流层、平流层和高层大气。
对流层：对流层位于地球大气的最底层。因为地面是对流层大气的直接热源，所以该层的气温随着高度的增加而降低:一般情况下，高度每上升100米，气温平均下降0.6’C。由于对流层大气的上冷下热，空气在垂直方向上的对流运动十分显著。对流层的厚度在各层大气中最薄，却占据了大气质量的3/4和大气中水汽和杂质的绝大部分。对流层的天气现象复杂多变，是云雾雨雪等主要天气现象的发生地，因而对人类的影响最显著。
平流层：从对流层顶以上至离地面约50千米的大气层称为平流层。平流层内温度随高度增高而升高，到离地面约50千米处达到最高值。该层大气的热量主要来自臭氧对太阳紫外线的吸收。平流层底部温度低，上部热下部冷，大气稳定，不易形成对流，平流层内的空气大多做水平运动。同时，平流层底部的水汽、杂质含量极少，大气平稳，天气晴朗，对航空飞行非常有利。
高层大气：从平流层顶到约3000千米高度间的大气层称为高层大气。
高层大气的密度非常小，与行星际空间的密度比较接近。在该层大气中存在电离层，电离层能反射无线电波，使人类得以远距离传播信息。
活动：观察分析双子天文望远镜的选址
国际上著名的双子天文望远镜分别位于南北半球上两个最佳天文观测，点。位于北半球的北双子天文望远镜坐落在美国夏威夷冒纳凯阿火山顶峰上。冒纳凯时火山海拔约4200}忆。山顶空气稀薄，水A，含量低，孤立于太平洋的中央。这个地理位置放公认为是地球上进行天丈观测的最佳台址。
位于南半球的南双子天文望远镜坐落于智利安第斯山脉的帕穹山上。帕穹山海拔约2700米，山顶空气非常干燥而且几乎无云，是设置天文望远镜的理想之地。
.描述位于南北半球上两个最佳天文观测点的大气条件。
案例研究：卫星监测二氧化碳含量
北京时间2016年12月22日3时22分，我国成功发射全球二氧化碳监测科学实验卫星(简称、碳卫星)。这是我国首颗、全球第二颗专门用于监测全球大气中二氧化碳含量的卫星。
从太空中怎么能”看”到二氧化碳呢?原未本次发射的碳卫星，搭载了一台高光谱与高空间分辨率的二氧化碳探测仪。这台探测仪的工作原理是在可见光和近红外谱段，对二氧化碳的吸收波段进行遥感监测。当太阳光穿过大气层时，不同浓度的二氧化碳分子对太阳光谱中不同波长部分的吸收程度不同。波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。而探测仪正是通过对这些”颜色”进行准确测量，反推出大气中二氧化碳浓度。当大气中二氧化碳含量变化超过百万分之四时，碳卫星就会发现。
地面观测站点也能监测到大气中的二氧化碳数据，为什么还要发射碳卫星?这是因为全球二氧化碳地面观测站点仅有数百个，难以满足监视需求，只有用碳卫星俯瞰，才能获取足够数据来绘制二氧化碳分布的全景图。
在全球气候变暖、极端天气频率增加等严峻的气候变化形势面前，减少二氧化碳等温室气体的排放成为必然选择。碳排放的量化监测是各国最终实现温室气体减排的重要技术基础。此外，在碳排放数据上知己知彼，对我国在国际气候变化方面掌握话语权具有重要意义。
思考：1.使用碳卫星观测二氧化碳有什么优点?
2.掌握全球二氧化碳分布有哪些用处？
作业题
1.阅读材料，体会地球大气对人类生存的意义，并说明保护大气环境的必要性。有人做过统计，一个成年人今天呼吸2万多次，吸入1万升空气，重量为13.6千克，相当于一天食物重量的10倍，饮水量的5-6倍。一个人如果10天不吃饭不至于死亡，5天不喝水也不会死亡，但是5分钟不呼吸就会死亡。所以人类能够在地球上生存的重要条件之一就是地球有独特的大气环境。
2.搜集并以列表的形式整理大气3个分层的热量来源，并分析大气温度变化的成因及对人类的影响。
3.阅读材料，完成下列各题。
2015年3月17日太阳活动引发的磁暴事件，引起了全球性的电离层扰动，全球的短波通信、测控和导航都受到较大影响，一些高频无线电通信区域出现长达1个小时的无线电信号中断。全世界的高纬度地区迎来了20年来最强烈的极尤。我国大部分区域电离层出现不同程度的强烈扰动，其中广州、西安、长春和北京地区电离层出现超强扰动。
(1)太阳活动产生的碰暴会对人类的哪些活动造成影响?
(2)极光通常出现在大气的哪一层?
(3)地球上哪些地区容易观测到极光？
课题2：检查进度：通过多种途径搜集大气组成与垂直分层的相关材料，制作海报并进行展示。
探究
雷阵雨过后，我们有时候会闻到一股刺鼻的气味，这就是臭氧的气味。臭氧主要分布在平流层，臭氧层是指平流层中臭氧集中的层次。臭氧层变薄、浓度降低的现象，称为臭氧层破坏。臭氧层破坏可能引起一系列不利于人类的气候生物效应.
这种情况已经受到人们的广泛关注。据科学家研究，大气中的臭氧含量每减少1％，到达地面的太阳紫外线辐射就增加2％。过量的紫外线辐射会增加人的皮肤癌患病率，还会引发白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病。在距南极洲较近的智利海伦娜岬角，当地居民只要走出家门，就要在暴露的皮肤表面涂上防晒油，戴上太阳眼镜，否则半小时后，皮肤就会被晒成鲜艳的粉红色，并伴有痒痛；羊群则多患白内障，几乎全盲；河里捕到的鲜鱼也多是盲鱼。
1.有人认为，臭氧层是“地球生命的保护伞”。你认同这种看法吗？为什么？
2.你还了解哪些全球性大气环境问题？它们与大气中的哪些成分及其含量的变化相关？
一、大气的组成
包围地球的空气称为大气。大气为地球生命的繁衍和人类的发展提供了必要条件。人类生活在大气圈底部，大气的物理状态和组成成分的变化，时刻影响着我们。
大气是多种气体的混合物。低层大气主要由干洁空气、水汽和杂质三部分组成。
干洁空气的主要成分是氮气和氧气，氮气和氧气的体积分数分别约为78％、21％，两者合占99％。
氮是地球上生物体的基本成分。氧是人类和其他好氧生物维持生命活动必需的物质，并参与有机物的燃烧、腐败和分解过程。二氧化碳和臭氧在大气中的含量虽少，但对自然环境和生命活动具有重要作用。二氧化碳是绿色植物进行光合作用的基本原料，对地面起着保温作用。臭氧能强烈吸收太阳紫外线，臭氧层可保护地球上的生物免受过量紫外线的伤害；而穿透大气到达地面的少量紫外线，又具有杀菌的作用。
大气中的水汽含量，在水平方向上，海洋上空高于陆地上空，湿润地区上空高于干旱地区上空；在垂直方向上，一般自地面向高空逐渐减少。大气中的杂质含量，随时间、地点、天气条件而变化。通常，在近地面大气中，陆上多于海上，城市多于乡村，冬季多于夏季。大气中的水汽和杂质虽然含量很少，却对天气变化影响很大。在大气温度变化的范围内，水汽可发生固、液、气三态的转化，产生云、雾、雨、雪等一系列天气现象。杂质会使大气能见度变差，但作为凝结核，又是成云致雨的必要条件。
阅读
全球大气二氧化碳月均浓度突破400ppm
自工业革命以来，由于人类大量使用化石燃料，全球大气二氧化碳浓度上升了120ppm（1ppm为百万分之一），其中一半的增长出现在1980年以后。2015年3月，
全球大气二氧化碳平均浓度突破400ppm。这是有记录以来全球大气二氧化碳月均浓度首次突破这一高值。二氧化碳等温室气体排放量的增加，是导致全球变暖的一个重要原因。
活动
雾霾，是雾和霾的组合词。我国不少地区将雾并入霾一起作为灾害性天气现象进行预警预报，统称“雾霾天气”。其实，雾和霾是两种截然不同的天气现象。阅读下列材料，结合生活体验，认识雾和霾的区别，并举例说明霾天气对我们生活的影响。
当空气中所含的水汽多于一定温度条件下大气饱和水汽量，并且有足够的凝结核存在时，多余的水汽便会凝结出来，变成小水滴或冰晶。大气中因悬浮的水汽凝结，水平能见度低于1千米时，气象学上称之为雾。
霾，又称“灰霾”，是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒等的集合体，使空气浑浊，水平能见度降低到10千米以下的一种天气现象。组成霾的粒子极小，不能用肉眼分辨，可在一天中的任何时候出现。霾天气是一种大气污染状态，表明
大气中各种悬浮颗粒物含量超过一定标准，其中PM2.5（直径小于或等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成霾天气的“元凶”。
二、大气的垂直分层
根据大气的温度、密度和运动状况在垂直方向上的差异，可将大气分为三层，自下而上依次是对流层、平流层和高层大气。
对流层是贴近地面的大气最低层。整个大气质量的3/4和几乎全部的水汽、杂质，都集中在这一层。对流层受地面的影响很大，其高度随纬度、季节而变化。就纬度而言，低纬度地区高17~18千米，中纬度地区高10~12千米，高纬度地区高仅8~9千米；就季节而言，任何纬度地区，夏季较厚而冬季较薄，中纬度地区尤其明显。对流层气温随高度的增加而递减，这是因为地面是对流层大气主要的直接热源。对流层上部冷下部热，空气就会产生对流。随着空气的对流运动，近地面的水汽和杂质向上空输送，在上升过程中随着气温的降低，容易成云致雨。对流层的天气现象复杂多变，云、雾、雨、雪等天气现象都发生在这一层。因此，对流层与人类的关系最为密切。
在一定条件下，对流层下部会出现气温随高度升高而增加的逆温现象。逆温层可以阻碍空气对流运动的发展，使污染物难以扩散。
自对流层顶向上至50~55千米高度的范围为平流层。平流层内，气温随高度的增加而上升。该层大气主要靠臭氧吸收太阳紫外线增温。臭氧集中在15~35千米的气层中，形成臭氧层。臭氧层以上，臭氧含量逐渐减少，但是太阳紫外线辐射强烈，气温随高度的增加迅速上升。平流层上部热下部冷，大气稳定，不易形成对流。大气以水平运动为主，平流层由此而得名。该层中水汽、杂质含量稀少，天气现象少见。平流层大气平稳，天气晴朗，有利于航空飞机飞行。
平流层顶以上的大气，统称高层大气。高层大气气压很低，密度很小。在60~500千米的高空，有若干电离层。在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大气分子被分解为离子，大气处于高度电离状态，所以称为电离层。电离层能反射无线电波，对远距离无线电通信有重要作用。
阅读
臭氧层
20世纪70年代，科学家发现南极地区上空的臭氧量下降严重，出现了“南极臭氧洞”。“南极臭氧洞”是一种形象的说法，指的是在南极地区上空出现了全球臭氧量最低值（低于全球臭氧平均值的30%~40%），相对于其他地区来说，就像是一个空洞。2006年，“南极臭氧洞”面积已经超过北美洲的面积。
气象气球
气象气球是用橡胶或塑料等材料制成球皮，充以氢、氦等比空气轻的气体，携带仪器升空，进行高空气象观测的探测平台，可以用来测量大气温度、湿度、气压等气象要素。气象气球定期从许多地方起飞，跟踪大气不断变化的情况。
活动
1.在对流层，海拔每上升100米，气温约下降0.6℃，从而形成一个随高度增加而温度下降的大气垂直温度梯度。据此，完成相关任务。
（1）近年来，贵阳将“中国避暑之都”作为城市名片，着力打造“避暑”旅游产品，大力发展“避暑”经济。在我国地形图上，找到贵阳、重庆、武汉、长沙、上海的位置；读图3-7，说明贵阳打造避暑旅游名城的优势条件，并分析其形成原因。
（2）每年3月，西藏大部分地区的隆冬尚未结束，林芝的桃花却竞相开放，争奇斗艳，皑皑白雪与灼灼桃花相互映衬（如图3-9），让人领略到“雪域江南”的独特春光。读图3-8，试分析这一地理现象的形成原因。
2.在某些特殊条件下，近地面大气会出现逆温现象。据此，完成相关任务。（1）对流层大气出现逆温时，会对近地面空气质量产生什么样的影响？（2）查询20世纪世界八大公害事件，了解哪些公害事件与逆温现象有关。
课前引入
大气圈的组成
大气圈是由多种气体混合而形成的，其中低层大气的组成除干洁空气外，还包括少量的水汽和固体杂质。氮和氧是大气的主要成分，两者约占干洁空气体积的99%，故地球大气又称为“氮氧大气”。另外，氩约占0.934%，二氧化碳约占0.033%。
氮是大气中含量最多的成分，是地球生物体内蛋白质的重要组成部分。氧是大气中含量次多的成分，是人类和动物维持生命活动必需的物质。二氧化碳在大气中的含量很少，却起着非常重要的作用，是绿色植物进行光合作用的原料，也是调节地表温度的重要气体。
水汽是大气的重要成分之一。水汽是成云致雨的必要条件，大气中一定含量的水汽还可以提高人类生活的舒适度。
大气中的尘埃，可以反射太阳辐射，降低地面温度；可作为凝结核，促进云雨的形成。但是，尘埃也会影响人的呼吸系统，给人体健康带来一定的损害。
大气圈的分层
根据大气在垂直方向上的温度、密度及运动状况的差异，大气层可分为对流层、平流层和高层大气。
对流层是贴近地面的大气最低层，它约占整个大气质量的3/4，集中了几乎全部的水汽与固体杂质。对流层的气温随高度增加而降低，该层空气对流运动显著。风、云、雨、雾、雪等天气现象，大都发生在这一层，因此对流层与人类生活、生产的关系最为密切。对流层厚度因纬度和季节而变化，低纬度地区大于高纬度地区，夏季大于冬季。对流层厚度一般为8～16千米，平均12千米左右。
平流层位于对流层之上，其顶部距离地面大约50千米，厚度约40千米。平流层大气中的臭氧吸收紫外线而增温，故平流层的气温随高度升高而升高，呈现出下冷上暖的特征。平流层中大气对流很弱，以水平运动为主。
平流层中20～40千米的高度，臭氧含量较高，称为臭氧层。臭氧层能够吸收对人类和动植物有伤害的紫外线，故被誉为“地球生命的保护伞”。平流层中水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，能见度高，气流稳定，并且很少有飞鸟出现，是航空的理想空域。高层大气空气密度很小。在80～500千米的高空有若干电离层，空气处于高度电离状态，能反射无线电短波，对无线电通信有重要作用。太阳活动强烈或出现雷电现象时，会扰动电离层结构，影响地面
无线电传播，导致通信质量下降，甚至会出现通信中断的现象。
知识窗：高山反应
很多人到了海拔较高的地区都会因缺氧而出现高山（高原）反应，症状是头痛、头晕、恶心、呼吸困难、心跳加快等。大多数人在海拔2000米以下没有反应或者反应不明显，到了海拔3000米或者4000米以上，高山反应逐步显现出来。这是因为随着高度的增加，空气变得越来越稀薄，氧气的含量也越来越少。如何应对高山反应呢？
1.在进入高山、高原之前，应进行严格的身体检查，如发现心、肺、脑、肝、肾的疾病，有严重贫血或严重高血压，则不能盲目进入。健康人进入高山、高原地区，最好也要循序渐进，在海拔2000多米的地方适当停留，以逐渐适应缺氧环境。
2.初入高山、高原者应减少体力活动，严禁剧烈运动。登山的速度不宜太快，最好步调平稳，使运动量与呼吸相协调。
3.在高海拔地区，应注意保暖，防止感冒。感冒患者最好不要进入高海拔地区，否则易引起肺气肿等疾病。
4.初入高原，应严禁饮酒，尽量不要泡热水澡。