知识背景
1783 年，法国人在巴黎放起了第一只载人热气球；一百多年后，人们用气球把温度计送到十几公里的高空，读回来的数据让所有人意外：气温一开始随高度稳步下降，可到了大约 11 公里处竟然停住不降了，再往上反而升高。
这一发现把大气切开了。此前人们以为空气就是均匀的一团，从此才明白大气是分层的：不同高度上气温变化的方向不同，空气的运动方式也完全不同。人类天天生活的那一层——对流层，只有十几公里厚，却装着大气总质量的四分之三和几乎全部的水汽，云、雨、雪、雷电、台风，所有天气现象都发生在这里。
大气对生命的意义远不止提供氧气。它像被子一样保温，昼夜温差因此被压在几十摄氏度以内（月球没有大气，昼夜温差超过 300 摄氏度）；它像盾牌一样挡住流星体和大部分紫外线；它还是声音传播的介质。这一节我们要弄清大气的分层结构，以及为什么天气都发生在最底下那一层。
知识讲解
大气的组成与作用
干燥空气按体积计算的组成：氮气约 ，氧气约 ，稀有气体约 ，二氧化碳约 ，其余为水汽和杂质。
大气层的作用：保温（减小昼夜温差）、保护（挡住流星体和大部分紫外线）、提供呼吸所需的氧气、形成天气与气候、传播声音。
大气的分层
根据气温在垂直方向上的变化，大气自下而上分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层（热层）、外层（散逸层）。分层的依据是气温随高度的变化规律，不是气压也不是密度。
| 层次 | 高度范围 | 气温随高度 | 主要特点 |
|---|---|---|---|
| 对流层 | 地面至约 （两极约 ） | 降低 | 空气对流强烈，天气现象都在此层 |
| 平流层 | 对流层顶至约 | 升高 | 气流以平流为主，有臭氧层，适合飞机飞行 |
| 中间层 | 约 | 降低 | 气流活跃，流星多在此层燃尽 |
| 暖层 | 约 | 升高 | 空气电离，能反射无线电波（电离层） |
| 外层 | 以上 | —— | 空气极稀薄，气体分子可逃逸到宇宙 |
对流层：天气的舞台
对流层的三个必记特点：
- 厚度最薄却质量最大：仅十几公里，却集中了大气总质量的约 和几乎全部水汽。
- 气温随高度增加而降低：大致每升高 ，气温下降约 。原因是对流层的热量主要来自地面辐射，离地面越远得到的热量越少。
- 空气对流运动显著：下热上冷，暖空气上升、冷空气下沉，形成强烈对流，所有天气现象（云雨雪雹、雷电、台风）都发生在这一层。
对流层的厚度还随纬度变化：低纬度厚（约 ），高纬度薄（约 ）；同一地点夏季比冬季厚，因为地面受热越强对流越旺。
- 气温变化方向相反：对流层上冷下热（随高度降低），平流层上热下冷（随高度升高，因为臭氧层吸收紫外线放热）。
- 空气运动方式不同：对流层以对流为主（上下翻腾），平流层以平流为主（水平流动）。
- 适航性不同：客机常在平流层底部巡航，因为那里气流平稳、天气晴朗、能见度好；对流层里颠簸多、云雨多。
- 天气现象只在对流层：这是因为水汽几乎都集中在对流层，平流层水汽极少，无法成云致雨。
实验与探究
用一个透明玻璃水槽（或大烧杯）、一支蜡烛、一根点燃的香和一块隔板，观察下热上冷时空气如何运动。
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步骤：
- 在水槽底部一侧放一支点燃的蜡烛，代表被太阳晒热的地面。
- 待槽内空气受热一段时间后，把点燃的香放在水槽另一侧的上方，观察烟的运动路径。
现象：烟从蜡烛上方上升，到顶部后横向流向另一侧，再从另一侧下沉，最后沿底部流回蜡烛处，形成一个环流圈。
分析与结论：受热处空气膨胀变轻上升，冷处空气收缩变重下沉，冷热差异驱动了对流。这正是对流层的缩小版：地面受太阳照射不均，热的地方空气上升，冷的地方空气下沉，水汽随上升气流升高、遇冷凝结成云，天气现象由此产生。易错提醒：判断对流方向的依据是冷热差异，不是「烟自己会飘」；若把蜡烛放在槽顶，上热下冷，对流就无法形成——这也解释了平流层为什么没有对流。
经典例题
已知杭州地面某时气温为 ，对流层内气温大致每升高 下降 。（1）此时 高空的气温约为多少？（2）若某高度气温为 ，该处离地面约多高？（3）天目山主峰海拔约 ，山脚气温 ，山顶约多少度？
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第一步：明确依据。对流层内气温随高度降低，直减率为 每千米，即 （ 以 为单位）。第二步：算 处的降温幅度：；再求该高度气温：。
第三步：解第（2）问，先求总降温幅度：（注意末温为负，相减时符号不能丢）。第四步：求高度：。第五步：解第（3）问，先统一单位：；降温 ，故山顶气温 。答：依次为 、约 、约 。这正是「爬山要带外套」的科学依据，也解释了为什么夏天去天目山避暑。
难点与易错点
- 认为分层依据是气压或密度：分层依据是气温随高度的变化规律。
- 把「天气现象在平流层」记混：所有天气现象都在对流层，因为水汽和对流都在这里。
- 认为对流层最厚：对流层是五层中最薄的，但质量占比最大（约 ）。
- 忽略对流层厚度随纬度变化：低纬厚、高纬薄；夏季厚、冬季薄。
- 说客机在对流层飞行更平稳：客机在平流层底部巡航才平稳，对流层里气流颠簸。
- 算高空气温时符号出错：升高则降温，降到负温后仍按代数运算，，不要漏负号。
- 认为大气只提供氧气：还有保温、保护、传声、形成天气等作用，答题要答全。
生活中的应用
- 飞机为什么爬升到万米高空：那里已进入平流层底部，气流平稳、无云雨、阻力小，飞得又稳又省油。
- 夏天上天目山避暑：海拔升高气温下降，山顶比杭州城区凉快近十摄氏度。
- 流星雨：流星体在中间层与稀薄空气剧烈摩擦而燃尽，大气因此成了地球的「防弹衣」。
- 臭氧层与防晒：平流层的臭氧层吸收大部分紫外线，臭氧空洞会使紫外线增强，所以要防晒、减少氟利昂排放。
生活应用题 1 · 云底高度的估算
某日杭州地面气温为 ，气象观测显示水汽在 时开始凝结成云。按对流层每升高 降温 估算，云底大约在多高的地方？
分步解：
- 求需要降低的温度，依据始末温度差：。
- 求对应的高度，依据 （每千米降 ）：。
- 换算单位：。
- 答：云底大约在 3000 米高处。这也说明为什么地面越热、空气越干，云底就越高——需要上升更远才能冷到凝结温度。
生活应用题 2 · 亚运会飞行表演的气温
某次飞行表演中，飞机在杭州上空 处平飞，地面气温 。（1）机外气温约多少？（2）若飞机继续爬升到 ，用同样的直减率算出的结果是 ，实际温度却是约 且不再随高度下降，为什么？
分步解：
- 求 处的降温幅度，依据直减率：。
- 求机外气温：。所以飞机外壳会结霜，机舱必须加温。
- 分析第（2）问的第一层原因： 每千米只是平均直减率，实际会随天气和季节波动，用它外推越远误差越大。
- 分析关键原因： 已接近或超过对流层顶，进入平流层后气温不再随高度下降，反而因臭氧层吸收紫外线而升高。直减率只适用于对流层内。
- 答：机外约 ；高度超出对流层后直减率不再适用，这正是大气分层的直接证据。
考点
- 选择题·高频：大气分层的依据（气温随高度变化）与五层名称、顺序
- 填空题·高频：对流层的三个特点；天气现象都发生在对流层的原因
- 对比题：对流层与平流层在气温变化、气流形式、适航性上的区别
- 计算题：用「每升高 降 」求高空气温、云底高度、山顶气温
- 简答题：大气层的作用；对流层厚度随纬度和季节的变化
- 实验题：模拟空气对流的实验现象与解释
中考真题
关于大气分层，下列说法正确的是（ ）A. 大气分层的依据是气压随高度的变化 B. 对流层中气温随高度升高而降低 C. 云、雨、雪主要出现在平流层 D. 对流层是大气中最厚的一层
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逐项分析：
- A 错：依据是气温随高度的变化规律。
- B 对：对流层热量主要来自地面辐射，越高越冷，大致每千米降 。
- C 错：水汽和对流都集中在对流层，天气现象只在对流层。
- D 错：对流层最薄（十几公里），但质量占约 。
答案：B。
民航客机通常在 的高空巡航。请从大气分层的角度说明这样安排的两条理由，并解释为什么该高度机舱必须密闭增压。
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第一步：判断该高度所处的层次。中纬度地区对流层顶约在 ，故客机巡航高度位于对流层顶部或平流层底部。
第二步：给出第一条理由——气流平稳。平流层以水平运动为主，没有强烈的上下对流，飞行颠簸小、乘坐舒适、也更安全。第三步：给出第二条理由——天气晴好、能见度高。平流层几乎没有水汽，不会成云致雨，避开了对流层的云雨雷电和结冰风险；同时空气稀薄、阻力小，更省燃油。
第四步：解释密闭增压的原因。高空气压很低、空气稀薄、含氧量不足，气温可低至 左右，人体无法直接适应，因此机舱必须密闭、增压并加温。