科学网—地球大气的密度垂直分布
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2026-6-21 15:23
| 系统分类: 科研笔记
地球大气的密度垂直分布
张武昌 2026年月21日（周日，端午节假期最后一天）
地球是多圈层的结构，包括大气圈水圈和岩石圈，大多数生物生活的大气圈下部加水圈加岩石圈上部被称为生物圈。
大气圈是地球的最外圈层，大气下表面是地表或海表等非气态的界面，上表面是与太空的分界。单位体积内的质量或分子数称为气体的密度 (density ，单位为个分子 ^m³ 或 g/m^3 ）。 由于重力的作用，下层气体被上层气体的重力作用压缩，因此下层气体的密度较大， 地表层立方米大气的重量约为 1.3 千克， 1 立方厘米 的空气中大约含 2.6875×10^19 个分子 。
随着高度的增加，空气密度随高度呈近似指数衰减，而不是线性衰减，大约每升高 1000 米，空气密度降低约 10% ，在海拔 5500 米处，空气密度只有海平面的一半，在民航客机巡航高度万米高空，空气密度只有海平面的 33.8% ，在对流层顶部 11000 米，空气密度只有 29.7
与大气的密度垂直分布廓面类似，大气的各个组分的密度也是高空低，低层高。
那么大气密度减少到什么程度，算是大气层的外缘呢，或者 地球的大气层到底有多厚？或者天到底有多高呢。
天文学家 Lyman Spitzer 对此定义了“散逸层”的概念，散逸层又称“外层”、“逃逸层”，是热层（暖层）以上的大气层，也是地球大气的最外层。
“散逸层”外围的氢原子和氦原子，会在太阳的远紫外线辐射的作用发出微弱的辐射，这使地球看上去像是拥有一个类似太阳的“日冕”一样的结构，所以这片区域命名为“地冕 Geocorona ”。因此严格意义的大气层上边界，就应该是“地冕”的边界，我们只需要通过对“地冕”中的辐射现象进行观测，就可以得到大气层边界的准确数据。
1972 年登月计划的阿波罗 16 号任务携带了 Dr. George R. Carruthers 设计的望远镜观测到了地冕层。
The first image of Earth's outer atmosphere, the geocorona, taken from a telescope designed and built by Dr. George R. Carruthers. The telescope took the image while on the Moon during the Apollo 16 mission in 1972. G. Carruthers (NRL) et al./Far UV Camera/NASA/Apollo 16
1995 年，美国航空航天局和欧洲航天局的联合项目向太空发射的 SOHO 探测器（ Solar and Heliospheric Observatory ），旨在研究太阳，但也可研究地球大气逃逸层。为此用上了纪录太阳风和地冕氢气互动的 SWAN 仪器（ Solar Wind Anisotropies ，太阳风各向异性探测器）。
2019 年 2 月，一篇发表在 JGR Space Physics 的论文检视了 SOHO 卫星 在 1996 年至 1998 年的观测数据，发现地球地冕的范围远超出了人们的预期，最外侧高度可以达到近 63 万千米，而地月的平均距离也就 38 万千米，相当于月球还在地球的地冕范围内，即月球还在地球的大气层当中。这一发现因数据源自 20 多年前而被戏称为 “ 迟到 20 年 ” 的发现。因此自然科学意义上的天高位 63 万千米。
Baliukin, I., Bertaux, J.-L., Quémerais, E., Izmodenov, V., & Schmidt, W. (2019). SWAN/SOHO Lyman-α mapping: The hydrogen geocorona extends well beyond the Moon. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124, 861– 885.
地冕的分布就像是彗星的尾巴，正对太阳的一面光压较大，地冕层氢原子被阳光“压缩”，对探测结果进行分析，发现在该区域距离地表 6 万千米处每立方厘米大约有 70 个原子，在 38 万千米处（约为月球轨道高度）每立方厘米平均仅有 0.2 个原子，基本上可以认为是真空。在背对太阳的一侧，氢原子的密度整体上要更大一些，并且地冕范围也会更大。
大气密度是影响大气性质的一个重要指标。大气密度不同，分子之间的碰撞的频繁程度不同，影响着大气的电离性质、各个组分的浓度（ ppm ）垂直分布、极光的高度、温度垂直分布、二氧化碳的温室气体效应。
气体分子的碰撞频繁程度可以用平均自由程（ Mean Free Path ）来表示。一个分子在撞上另一个分子之前，能 “ 自由 ” 地飞翔的平均距离，称之为平均自由程（ Mean Free Path ，通常用希腊字母 λ 表示）。
在标准状态（ 0 摄氏度， 1 个大气压），大气分子密度为 3×10¹⁹ 个 /cm³ ，地面分子疯狂碰撞，平均自由程为 0.06 微米，一个分子与其他分子的碰撞次数大约为 1.5×10^9 次每秒。 0-80 千米，平均自由程为微米 - 毫米级，远小于人体尺寸； 80-100km 高度，平均自由程为厘米到米级； 100 km 高空，大气密度为 1×10¹³ 个 /cm³ （百万级，卡门线），分子自由程约为 1 米； 120 千米高空，大气密度 1×10¹ 2 个 /cm³ ，平均自由程大于 10 米； 300 km 高空，大气密度为 1×10⁹ 个 /cm³ （个级），平均自由程达数千米。
在任何一滴空气中，都上演着一场由数万亿分子主演的、永不停歇的混沌之舞。这些微观粒子以惊人的速度飞驰、碰撞，共同构成了我们所感知的宏观气体世界。但是随着高度增加，空气密度减小，就会出现我们所不熟悉的新的现象，首先是卡门线。卡门线（ Kármán line ）是一条位于海拔 100 km （ 330,000 英尺）处，被大部分认可为外太空与地球大气层的界线的分界线。此线是国际航空联合会（国际的航空航天标准制定、记录保存机构）所接受的，为现行大气层和太空的界线的定义。
此线得名自匈牙利裔美国工程师、物理学家，主要致力于航空和航天工程的西奥多 · 冯 · 卡门。他首次计算出，在这个高度附近无法航空飞行。在此高度附近，因大气太过稀薄，难以产生足够支持航空飞行的升力。据他的计算，在这个高度的飞行器自身的速度必须比轨道速度快很多，才能够获得足够的升力来支撑自身重量。经过计算卡门建议将海拔 100 千米指定为外太空与地球大气层的界线，后来称为卡门线。
1963 年，国际航空联合会 FAI 建议将 100 千米线作为外太空与地球大气层的界线。 FAI 使用卡门线来定义航空、航天之间边界：在离开地球表面 100 千米内的，空中的活动 , 包括所有的空中运动 , 都称为航空；所有离开地球表面 100 千米外的，都称为航天。
1966 年 12 月 19 日联合国大会通过《外层空间条约》（全称《关于各国探索和利用包括月球和其他天体的外层空间活动所应遵守原则的条约》），并于 1967 年 10 月 10 日生效，规定
卡门线以上属于 “ 外层空间 ” ，不受国家领空主权限制，航天器可自由过境。因此法律意义上的天高为 100 千米。
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