大气使我们有了个温暖的环境。没有大气，地球会是个没有生气的冰球，平均温度只有零下50摄氏度。而且，大气吸收或阻挡大量射来的宇宙射线、带电粒子、紫外线等等。总的来说，厚厚的大气相当于4.5米厚的保护性混凝土，没有它，来自太空的这些无形访客会像小小的匕首那样插进我们的身体。没有大气的牵制作用，连雨点也会把我们打昏在地。

大气分层

最引人注目的是，我们的大气并不很多。它往上伸展至大约190公里处，从地面上看，它也许显得很多，但如果把地球缩小到书桌上地球仪的大小，大气不过是大约一两层漆的厚度。

人类飞行器轨道所在大气层

大气分成四个厚度不等的层次：对流层、平流层、中间层和电离层（现在往往又称热层）

一：对流层

对流层对我们来说是个十分宝贵的部分。对流层包含的热量和氧气足以使我们活下去，但是当你往上穿越对流层的时候，它很快会变成一个对生命来说不合意的地方。从地面到最高点，对流层（亦称“对流圈”）在赤道位置上大约为16公里厚，在我们大多数人居住的温带位置上还不足10—11公里厚。它占了大气质量的80%，包含了实际上所有的大气水分。

对流层

因此实际上所有的气候变化，都包含在这又薄又稀的一层里。你和苍穹之间其实没有多少东西。

你和苍穹之间没有多少东西

二：平流层

对流层的上面是平流层。当你看到一片雷雨云的顶端扩展成典型的砧形，你是在看着对流层和平流层的交界之处。

平流层

这个看不见的天花板被称为对流层顶对流层顶离我们也并不遥远。现代摩天大楼使用的快速电梯只要用20分钟左右就能把你送到那里，当然在没有密封的条件下这样快速上升，少说你也会得严重的脑水肿和肺水肿，组织里的体液会增加到危险的程度，即使攀升的速度比较缓慢，你也会觉得很不舒服。10公里高空的温度会降至零下57摄氏度。

飞机在平流层航行

三：中间层

离开对流层以后，由于臭氧层的吸收作用，温度很快又会上升到大约4摄氏度。到了中间层（又称中层，是指平流层顶到85公里之间的大气层，），温度又骤降到零下90摄氏度。

大气层作用

四：热层（电离层）

再往上就到了那个顾名思义的热层，温度又一下子上升到1500摄氏度以上，而且热层的日夜温差可达500摄氏度以上——必须指出，这样高的温度多少已经成了个理论概念。

大气层高度与温度关系

温度其实只是量度分子活动程度的一个标准。在海平面高度，空气分子密度很大，一个分子只要运动极小的距离——说得确切一点，大约百万分之八厘米——就会砰地撞上另一个分子。由于几万亿个分子在不停撞击，大量的热量得到交换。但是，在热层的高度，即在80公里以上的高度，空气那么稀薄，两个分子相隔数公里，几乎没有接触的机会。因此，虽然每个分子的动能都很高，但彼此之间几乎没有影响，因此没有多少热量传递。

卫星轨道处在电离层

即使这样，宇宙飞船在外层大气也不得不小心翼翼，尤其是在重返地球的过程中。2003年2月发生的“哥伦比亚号”航天飞机的悲剧就说明了这一点。虽然大气很薄，但要是飞船进入大气层的角度太大——大约6度以上——或者速度太快，它就会撞击大量分子，产生极易引起燃烧的摩擦力。反之，如果返程的飞行器进入大气层的角度太小，它很可能会弹回空间，就像掠过水面的卵石那样。

载人舱返回大气层

到了7500米以上的高度——登山运动员所谓的“死亡地带”——身体就会很不舒服；但是，许多人到不了4500米左右的高度就会极度虚弱，甚至病危。敏感程度与身体是否健壮几乎没有关系。有时候，老奶奶在高处生龙活虎，而身强力壮的后辈们反而哼哼唧唧。

高原老人

就人类连续生活的耐受能力而言，极限大约为5500米，但连习惯于生活在高处的人也无法长期忍耐这种高度，生活在高处的人往往要经过几千年才渐渐拥有特别大的胸腔和肺部，使携带氧气的红细胞浓度增加差不多三分之一。

血液中红细胞

可是，血液所能承受的红细胞浓度是有限度的，要是浓度太大，血液流动就无法顺畅。而且，在5500米以上的高度，连已经完全适应的妇女也无法为发育中的胎儿提供足够的氧气，不到足月就会把他（她）生下来。

欧洲有人开始乘气球做攀升实验。他们吃惊地发现，他们升得越高，上面的温度越低。每爬高1000米，温度下降大约1.6摄氏度。从逻辑上说，离热源越近，似乎应当越觉得暖和。

热气球

部分解释是，你其实并没有接近太阳多少。若要回答这个问题，我们又得回到大气里分子密度的问题。阳光激活原子，它增加了原子的运动速度，原子在激活的状态之下互相撞击，释放热量。夏日里背上感到太阳是暖烘烘的，你感到的其实是阳光在激活原子。你爬得越高，那里的原子越少，因此它们的撞击次数就越少。

原子运动

即使在海平面的高度，我们往往也会认为空气很轻，几乎没有分量。实际上，空气分量很大，还往往表现出来。

早上起床的时候，我们有时候发现气压计升高了2.5厘米，说明夜间有将近半吨重的分量一直悄悄地压在我们身上，而我们并没有觉得什么不方便，倒是有一种精力充沛的感觉，因为在密度较大的气体里我们移动身体只需要较小的力。你在增加半吨重的压力之下不会产生被压垮的感觉，与你的身体在大海深处不会被压垮的原因是一样的：你的身体主要是由无法压缩的液体组成的；液体会产生推力，使体内和体外的压力保持平衡。

早起轻松

要是空气处于流动状态，比如飓风，甚至是一阵强风，你很快会想到空气的质量还真不小。我们身边大约有5200万亿吨空气，本行星的每平方公里上有900多万吨。当几百万吨空气以每小时五六十公里的速度流动的时候，树枝折断，屋顶瓦片飞走。

飓风折断树木

我们头顶的世界里不乏能量。据测，一次大雷雨可以包含相当于全我国4天用电量的能量。

国家电网

在合适的条件下，雷雨云可以升到10—15公里高度，包含以每小时150多公里的速度上升的气流和下沉的气流。两者往往并排出现，在内部一团混乱之中，云团里面的粒子获取电荷。由于不完全了解的原因，较轻的粒子往往带上了正电荷，被气流刮到了云团顶部。较重的粒子留在基部，积累负电荷。这些带负电荷的粒子有着强烈的愿望，希望冲向带正电荷的地球，但愿夹在中间的东西走运！闪电以每小时43.5万公里的速度移动，可以把周围的空气加热到28000摄氏度，比太阳表面的温度还要高出几倍。

闪电

在任何一个时刻，全球有1800场大雷雨正在发生——平均每天4万场左右。闪电日日夜夜划过这颗行星，每秒钟大约有100道闪电击中大地。

还有一种气流叫做急流层

急流通常位于大约9000—10000米高空，能以每小时将近300公里的速度移动，极大地影响着所有大陆的天气系统。有一种波动通常被称为“晴空湍流”，它偶尔会造成飞机剧烈颠簸。它们与云团结构或其他任何可以用肉眼或雷达测到的现象没有关系。它们是晴空中小范围的湍流。它足以把飞机上没有系安全带的人甩到天花板上。空气在大气层里到处流动的过程，与地球内部机器转动的过程，二者是一样的，即对流。

急流

潮湿的热空气从赤道地区升起，碰着了对流层顶就向外扩展。随着远离赤道，它渐渐冷却，渐渐下沉。碰到底部以后，有一部分下沉的空气向低压地方流动，掉头返回赤道，完成了那个环流。

地球热力循环

在赤道地区，对流过程一般比较稳定，天气总是不错，而在温带地区，季节变化、地区差异要明显得多，缺乏规律性。结果，高气压体系与低气压体系之间展开了永无穷尽的搏斗。低气压体系是由上升的空气创建的，把水分子送到天空，形成了云团，最终形成了雨。

热空气比冷空气更能携带水汽，这是热带和夏季下暴雨最多的原因。

热带暴雨街头

要是携带水汽的上升气流无法突破上面比较稳定的一层空气，就会像烟碰到了天花板那样向外展开，于是就形成了层云，事实上，要是你观察一个人抽烟，望着烟雾怎样从一支香烟在无风的屋子里袅袅上升，你就会有个很好的概念。世界上最大的超级计算机，也无法准确预测这类波形烟雾会成什么形状，而气象学家却要在一个不停自转、广大而多风的世界里预测这种运动，你可以想象他们面对的困难有多大。

太阳的热量分布不匀，形成了本行星上的不同气压。空气无法容忍这种状态，于是就横冲直撞，想要实现处处平衡。风就是空气想要实现这样的平衡的一种办法。空气总是从高压地带向低压地带流动，压力相差越大，风的速度就越快。

台风

顺便说一句，风速像大多数累积的东西一样，是以指数来增长的，因此以每小时300公里的速度刮的风，不是比以每小时30公里的速度刮的风强10倍，而是强100倍——因此它的破坏性也要大得多。要是将几百万吨空气加速到这种程度，就能产生极其巨大的能量。

水分子的结局差别很大，取决于它落在哪里。要是它落在肥沃的土壤里，它会被植物吸收，或在数小时或数天内再次直接蒸发。

新生命

要是进入了地下水，它也许在好多年里——好几千年里，如果它流到确实很深的地方的话——再也见不着太阳。要是你望一眼湖水，你看到的是一大堆分子，它们在那里平均已达10年之久。

地下河入口

据认为，水分子在海洋里逗留的时间可能达100年。总的来说，下了一场雨以后，大约有60%的水分子在一两天内又回到了大气层。一旦蒸发，它们在天空中待不了一个星期左右——然后又以雨的形式落了下来。

暴雨

海洋是地球表面活动的真正动力源泉。实际上，气象学家们越来越把海洋和大气看成是单一体系，因此我们在这里要多说几句。水非常善于储存和传递热量——难以想象的大量热量。水热得很慢，因此即使在最热的日子里，湖泊和游泳池里的水也是凉的。

温带湖泊

大海还帮了我们另一个大忙。它吸收大量的碳，并有办法把碳藏到安全的地方，那么，是什么使这颗行星保持稳定，保持凉快的呢？是生命。当空气里以二氧化碳形式存在的碳随着雨水落下的时候，数以万亿计的小小的海洋生物将其捕捉，并利用它（与别的东西一起）来制造自己小小的壳，那些生物是我们大多数人连听都没有听说过的，什么有孔虫呀，球石呀，钙质藻呀，等等。它们把碳关在壳里，防止碳通过再次蒸发进入大气，要不然它会危险地形成一种温室气体。

孔虫

最后，小小的有孔虫、球石等等都死了，掉到海底，被压缩成了石灰岩。想一想它几乎完全是由死去的小小的海洋生物造成的，这真令人觉得不可思议；但是，更加令人不可思议的是，你要知道，那些生物日积月累地吸收了多少碳呀。要不然，这些二氧化碳根本不会对我们有好处。总的来说，被关在地球岩石里的碳，大约相当于大气里的2万倍。

工厂排放二氧化碳

那些灰岩中的很大一部分最终会成为火山的原料，碳将回到大气层，以雨的形式落在地球上。因此，整个过程被称为长时碳循环。

长时碳循环

该过程要花很长的时间才完成，一个普通的碳原子来说，大约要花50万年

不幸的是，人类却随意打乱这个循环，把大量额外的碳排放到大气里，不顾有孔虫是否有了准备。据估计，自1850年以来，我们已经额外向空气里排放了大约1000亿吨碳，这个数字又以每年大约70亿吨的速度增加。

碳循环

总的来说，那实际上不算很多。大自然——主要通过火山喷发和树木腐烂——大约每年向大气里投放2000亿吨二氧化碳，差不多是我们的汽车和工厂排放量的30倍。但是，你只要看一眼我们雾蒙蒙的城市，你就会明白，我们的参与造成了多大的差别。