天空的遙遠與廣闊，總不免引人遐思。自然的日升日落、云卷云舒，人間的飛機轟鳴、衛星環繞，在這片廣袤的天空中似乎都能找到專屬的位置。那么，這些專屬的位置是由什么決定的呢？

為了回答這個問題，我們首先需要知道“天空”是可以被拆分為“天”和“空”的。單看這兩個字可能會讓人有些迷糊，我們不妨加上“航”字變成“航天”與“航空”。從主觀感受上來看，“航天”比“航空”能到達的距離更遠；而事實上，“航天”與“航空”存在一條人為定義的界線，即“卡門線”。

卡門線

“卡門線”中的“卡門”是指匈牙利裔美國工程師和物理學家西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán）。20世紀30年代，卡門通過計算提出，在約38千米高度處，空氣動力升力足以承載飛行器98%的重量；然而到90千米高度時，由于空氣過于稀薄，也就是不再能提供足夠的空氣動力升力，飛行器只能依靠離心力支撐重量了。此后，一位名為安德魯·G·哈雷（Andrew G. Haley）的委員向國際航空聯合會（The Fédération Aéronautique Internationale, FAI）提議將這個高度作為外太空（即“天”）與地球大氣層（即“空”）的界線，并得到了FAI的認可。從此“卡門線”便成為了廣泛使用的空天分界線。考慮到卡門的計算結果會由于時間、地點等因素而產生微小的變化，并為了在實際中方便使用，最終將“卡門線”定在距地面100千米高度處。

馮·卡門，噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）創建人，是工程力學和航空技術的權威，對二十世紀流體力學、空氣動力學理論與應用的發展產生了重大影響；也是錢學森在美國加州理工學院求學時的導師

那么，在地面到100千米高空的這部分大氣有什么特征，又是如何承載不同飛行器和自然現象的呢？事實上，通常依據溫度將這部分大氣分為對流層、平流層和中間層，而100千米往上的則是熱層和外逸層。

大氣分層圖（改編自知乎@雜學實驗室）

對流層

對流層是大氣層最靠近地面和密度最高的一層，我們所熟知的自然現象——云、雨、霧、雪都發生在對流層內。在對流層里，隨著大氣與地球的距離增加，溫度逐漸變低。溫度變低的主要原因是在對流層里，當空氣向上移動時，由于壓力較低會使得空氣膨脹，從而使得溫度降低。這與我們平時到高山上覺得寒冷，到高原上無法直接燒開水的體驗是相符的。

對流層從地球表面開始向高空延伸，直到對流層頂，也就是平流層底為止。地球上的對流層頂會隨著緯度和季節發生變化。就緯度而言，低緯度地區對流層上邊界平均為16-18千米，中緯度地區對流層上邊界平均為9-12千米，而高緯度地區對流層上邊界僅有7-8千米。前面我們說到對流層的溫度會隨著高度的升高而下降，這就決定了低緯度地區，也就是赤道地區附近對流層上邊界的溫度可以很低，即-75℃；而高緯度地區，也就是南北極附近對流層上邊界的溫度只會下降到-45℃。正是對流層這種上冷下熱的特點導致其有很顯著的對流運動，這也是“對流層”名字的由來。

平流層

對流層頂向上延伸約50千米的區域為平流層。在平流層的底部，也就是11-14千米處有一個等溫層，這個區域的溫度大致不變，約為-57℃。而等溫層往上部分的平流層中含有大量的臭氧，又被稱為臭氧層。因為臭氧可以吸收來自太陽的紫外輻射，所以臭氧層的溫度隨著高度的升高而升高，最終在平流層頂達到與地面相近的溫度。這樣一來，平流層的溫度呈現上熱下冷的特點，因此垂直方向上的運動較弱，這就導致平流層氣流平穩，主要以水平方向流動，幾乎沒有上下對流。

目前大型客機大多在平流層飛行。平流層中大氣主要是平流運動，飛機在其中受力比較穩定，這就使得飛行員駕駛較為方便，燃油消耗也較少。此外，平流層不像對流層一樣有大量的水汽、懸浮顆粒等雜質，能見度很高，有利于高空飛行。從生活和生態的角度看，飛機大多數時間在平流層飛行還能使得噪音污染小，而且鳥類難以飛到平流層的高度，無形中也增強了安全性。

云層上的飛機

中間層

平流層上方的區域為中間層，中間層大致延伸至90千米高度。在中間層里，溫度的變化主要受氧分子和二氧化碳的影響。氧分子能吸收太陽紫外線從而加熱大氣，二氧化碳則能放射出紅外線從而冷卻大氣，二者的平衡決定了中間層的溫度。因為中間層與平流層銜接，所以中間層底依然有大量的臭氧，并隨著高度升高臭氧濃度逐漸降低，因此中間層的溫度隨著高度的升高而降低。

熱層

中間層頂往上的熱層是很有趣的一層，熱層大致延伸至600千米高度。熱層底附近就是“天”與“空”的分界線“卡門線”；此外，國際空間站和天宮空間站都位于熱層中，短程彈道導彈和部分中程彈道導彈也會穿過熱層。在熱層里，高能的太陽輻射將電子從分子和原子上擊落，將它們變成帶正電荷的“離子”。這也導致熱層構成了電離層的較大部分。電離層可以反射無線電波，從而使人們接收到來自世界各地的無線電波信號成為可能。此外，太陽輻射還使得熱層氣體的溫度隨著高度的增加而升高。盡管氣體的溫度很高，但由于氣體密度極低導致分子之間難以傳熱，整個熱層仍然會呈現低溫的狀態。

天宮空間站

外逸層

熱層以上至2000-3000千米為外逸層。外逸層頂就可以被認為是整個大氣層的上邊界了。因為外逸層的大氣溫度極高導致其運動很快，再加上外逸層離地球較遠，受到地球引力的作用較小，所以外逸層的大氣經常逃逸到外太空中，這也是“外逸層”名字的由來。在外逸層中最常見的太空飛行器就是人造衛星了，此外還有遠程和洲際彈道導彈也會穿過外逸層。

大氣分層總結圖

至此，我們就對地球的整個大氣層，或者說屬于地球的整個“空”和一部分“天”都有了初步了解。其實，天空中還有許多神秘而有趣的現象未曾在本文中提及，包括極光、霞光、外太空中的星辰等等。當你疲憊的時候，抬頭看看天空，想到她形形色色的組成，想象她所包容的自然奇觀和人造飛行器，心情是否會稍微舒暢一些呢？現在讀者朋友們知道“天空”和“天””空“的區別了嗎？歡迎在評論區留言與我們一起討論！

美編：趙茹昕

校對：劉淇郡（成都理工大學）李玉鈐