大气垂直热力分层中的密度效应

张武昌

2026年7月4日周六

大气密度影响分子之间的碰撞

地球大气从底层到高层密度逐渐降低，空气变得稀薄，分子之间的碰撞频率减少，两次碰撞之间的距离逐渐变大。由此引发了一系列的与分子碰撞有关的故事。

声音传播的大气密度效应

大气分子的碰撞能传递能量，声音依靠空气分子振动传递，空气密度越小，分子越稀疏，振动很难传递，声音衰减很快，真空完全传不了声音。从低空到高空，空气密度逐渐减小，对声音的传递能力逐渐减弱。在2‑3 千米高度，空气密度大约只有地面的 75% 左右。人正常说话，距离跟地面一样，音量明显变小；两个人面对面说话能听清，稍微远一点声音就微弱。在 10 km高度（民航巡航高度），空气密度只有海平面的大约 1/4，就算脸贴着脸大声喊叫，也只能听到很微弱的沙沙声；稍微隔开半米，话音基本无法分辨。在16 km 以上，大气密度降到海平面的十分之一不到。即便嘴唇贴着耳朵大喊，人声已经完全没法传播，听不到任何说话的声音。

声音的强度衰减和声速变化是两回事。声波靠分子碰撞传递。温度高 = 分子热运动速度快，碰撞传递振动的效率更高，声波跑得更快。气压、分子密度不影响声速，稀薄与否不影响传播速度，只影响声波衰减快慢。

在一万米高空，空气还算是连续介质，理论声速依旧可以计算。只是空气分子太少，人声这种低频微弱振动衰减极快，传播距离只有几厘米。声音跑的速度没变，但是跑一小段路能量就耗光了，传不到耳朵里。

到十几千米以上，空气分子彼此间隔很远。分子之间很少发生碰撞。人声产生的微弱震动根本没法连续传递。这时虽然依旧可以用公式算出理论声速，但是现实当中声波已经不存在，声速参数对于日常声音没有实际意义。

但是对于战斗机来说，就有实际意义。现役战斗机的最大飞行高度一般在1.8万米至2.2万米之间，部分高性能机型可达到2.5万米。在1万到2万米高空，人声传不过几十厘米，可飞机超音速飞行时，产生的冲击波能量极强，并不等同于人说话这种微弱声波。飞机发出强烈的扰动，可以推动稀疏的空气分子发生碰撞，冲击波能够向外传播。所以超音速飞机依旧存在马赫数（几倍音速）的说法，用来衡量飞行状态。

卡门线 100 千米往上，空气过于稀少，飞机没有气动效应，无法飞行，如果有飞机可以飞行的话，飞机的冲击波也传不开，这时声速完全失去现实价值，马赫数也就不再使用。所以在100千米高度以上飞行的航天器只用千米每小时来表示速度，没有马赫数。

大气体感温度的密度效应

分子之间碰撞还可以传递热能，热能传递除了和单个分子的速度有关之外，还与单位时间内碰撞的次数（密度有关），密度越大，传递的热量越多，温度越真实。

虽然大气温度从零下90到到零上2000度，但是这个温度对人体形成的体感由于密度的影响而不同于地表大气。

大气密度与体感温度的关系可以用克努森数 Kn = λ/L（λ= 平均自由程，L = 人体尺寸≈1 m）判断：

Kn ≪ 1（λ ≪ 1 m）时，分子频繁碰撞，传热有效，能感知温度；

Kn ≈ 1（λ ≈ 1 m）时，分子碰撞变少，传热失效边缘，温感模糊；

Kn ≫ 1（λ ≫ 1 m）时，极少碰撞，传热失效，无感温度。

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，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。地面分子疯狂碰撞，热量快速传递，温度的体感清晰；

0-80千米，平均自由程为微米-毫米级，远小于人体尺寸，空气温度等于实际冷热感受；

80-100km高度，平均自由程为厘米到米级，能微弱感受到空气冷热，但温度参考价值大幅下降；

空气密度小到一定程度，会感觉不到空气温度（温感失效），本质是空气分子撞在身上的次数少到传进来的热量远小于身体辐射换热，温度失去体感意义。温感失效线几乎等于卡门线。

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，几乎感觉不到温度；120千米高空，大气密度1×10¹² 个 /cm³，平均自由程大于10米，对温度的感觉完全消失；

300 km高空，大气密度为1×10⁹ 个 /cm³（个级），平均自由程达数千米，完全无感，只有辐射。这里气体温度可达 1000～2000 K，但再 “热” 也烫不到人。

大气密度小导致不适用黑体辐射大气分子的电偶极矩变化和热辐射潜力

电偶极子（简称偶极子dipole）是由等量、相距一小段距离的正电荷、负电荷组成的一对电荷组合，可以想象成一根很短的小杆，左端为正电 +、右端为负电−，一正一负隔开一段距离，但整体中性。（在气候学里，印度洋东西两侧气压永远是一高一低，也被称为印度洋偶极子）。

衡量偶极子的强弱用偶极矩表示，偶极矩 = 电荷量 × 正负电荷间距，间距越大、电荷越多，电偶极矩越大，偶极越强。

对于一个任何单原子，正电荷和负电荷的中心完全重合，就不是偶极子。

当原子结合成分子时，如果是相同的原子组成分子，如同核双原子O₂氧气、N₂氮气，分子结构完全对称，两个原子核的电荷相同，对电子的吸引力势均力敌，正负电荷中心永远重合，振动时偶极始终 = 0，所以不是偶极子。

如果两个不同的原子组成分子，两个原子核的电量不同，对电子的吸引力不同，像 CO、NO 分子，氧吸电子能力更强，电子云偏向氧；原子核正电荷中心、电子负电荷中心永久错开，分子天生就是一个固定的偶极子，或称永久电偶极。

电偶极矩的变化有两个场景：

场景1辐射：单原子内部瞬间电偶极矩变化。

不是偶极子的单原子在热运动下，原子核（正）和外围电子云（负）相对位置晃动，原本抵消的电荷短暂错开，形成瞬间的电偶极。

场景2辐射，不对称分子（极性分子）的原子间电偶极矩变化。

分子伸缩振动时，C、O 来回拉扯，电偶极矩大小持续变化。

电偶极矩的变化会导致交变电场和交变磁场，即辐射光子（红外、可见光等）。

因此，不论极性分子还是非极性分子，只要原子内部电子云受到挤压就会发出热辐射，对于极性分子，闲着没事就会因为

大气对外辐射不是黑体辐射

平均而言，原子的直径大约为100皮米，0.1 纳米（10^-10米）（0.1纳米有一个专有称呼为埃米Ångstrom，符号为Å）。第二号元素氦的原子最小，半径为31 皮米，第一号元素氢的原子半径为37皮米，直径为80 皮米（0.08 纳米）。金的原子半径为128皮米，直径为0.26纳米。1纳米含有5个金原子。

分子间的作用力（主要是范德华力）使得分子（含单原子分子）堆叠堆积形成物质。

固液气三种物质形态的分子之间的距离和相互作用力不同影响了黑体辐射规律的适用性。

固体分子间距离的约为0.1 纳米，分子间作用力很强，原子不能自由乱跑，只能在固定晶格平衡位置附近做热振动。固体原子带着原子核、核外电子一起小幅往复震动，原子核（正）和外围电子云（负）相对位置晃动，原本抵消的电荷短暂错开，形成瞬间的电偶极。原子核和电子云的相对距离、电荷分布就会时刻变化，形成一个不断振荡的电偶极子。这种不断摇晃、时大时小的振荡偶极，会持续向外辐射电磁波，也就是黑体辐射的微观来源。场景1辐射和场景2辐射同时存在，以场景1为主，标准的黑体辐射。温度越高，原子振动越猛，偶极振荡越快，辐射能量越高、波长越短。

气体分子间距离很大，大约为1纳米（大于原子的直径）。氧气分子的尺寸大约为0.346 纳米，大气分子的尺寸大约为0.364 纳米，当两个分子距离大于0.6纳米时，它们相互的作用力接近于0；在小于0.6纳米时，它们会相互吸引；而当这两个分子足够接近，到相距0.4纳米时，它们又彼此推开。在地表大气中大气分子之间距离约为3纳米，所以空气分子之间作用力几乎为零。

在气体状态下，分子之间几乎没有作用力，只靠碰撞传递能量，中性分子不会形成不断震荡的电偶极子，因此不会形成黑体辐射。N₂、O₂这种相同原子组成的分子，正负电荷中心永远重合，不存在偶极子，分子振动也不会产生红外辐射。而CO₂ 等线性对称分子和HO2等线性不对称分子，有弯曲振动、反对称伸缩等，造成电偶极矩的改变，因此会释放红外线。因此大气对外辐射主要是场景2辐射。海森堡不确定性原理提出微观粒子本身没有同时确定的位置和动量，因此绝对零度永远无法实现，没有绝对静止的原子，因此大气也存在微弱自发电磁辐射，但是单个原子瞬时偶极振荡振幅极小，单原子辐射功率微乎其微。

液体分子间的距离比固体大，原子之间作用力较弱。乙醇的分子间距为0.3-0.5纳米，液态石油的分子间距为04-0.6纳米，甘油的分子间距为0.45纳米，液氮的分子间距为0.35纳米，夜溴的分子间距为0.32-0.38纳米，液苯的分子间距为0.42纳米，液态二氧化硫分子间距为0.38纳米。液体的对外辐射处于大气和固体之间，可以简单理解为灰体辐射。

大气太空入射和地面入射的辐射波长

达到地球大气表层地面的辐射主要集中在波长10nm的远紫外线和2.5微米的近红外之间。

地表向外释放的热辐射集中波长2.5微米以外的红外线，能量最强集中在 7–25 μm 波段的红外线。

大气各组分对不同入射波长辐射的吸收和热能转化

大气各组分对不同入射波长辐射的吸收

氮气、氧气是高空紫外线最主要的吸收气体，二者几乎包揽了短波紫外的吸收，大气入射的紫外波段（10–400 nm）几乎被大气吸收殆尽，和它们对热红外长波几乎透明形成鲜明对比。

< 160 nm 的极远紫外，被氮气（N2​）吸收，这部分太阳辐射本身能量占比低，且在热层（85 km 以上）就被彻底吸收，对中低层大气、地表几乎无影响。

100-400 nm紫外线的主要被氧气吸收，

氧气对远紫外（100–200 nm，真空紫外）强吸收，该波段辐射在热层、中间层顶部就被完全拦截，无法抵达低层大气；

氧气对UV-C（200–280 nm）极强吸收，绝大部分在平流层上部、中间层被吸收；同时触发光解，生成臭氧；

氧气和臭氧对UV-B（280–315 nm）共同吸收，UVB仅有极少量到达地面。

200–320 nm（UVC和UVB）的中紫外和近紫外主要被O₃（平流层）捕获。

氧气对UV-A（315–400 nm） 吸收极弱，因此可穿透至地表。

大气对入射的可见光（400–700 nm）整体吸收很小，主要是瑞利散射（短波蓝紫光散射更强），透过率：70–85%（红光 > 绿光 > 蓝光）

在近红外（700–2500 nm）波段，

水汽 H₂O 强吸收带为930、1100、1400、1900 nm，

CO₂ 弱吸收为2.7 μm 附近，

窗口区（如 800–900 nm、1000–1100 nm）透过率高 → ≈60–80%

高空紫外线转化为空气热能（加热大气）的原理

O₂、N₂吸收紫外/可见光高能光子，外层电子跳到更高电子轨道，进入电子激发态，分子整体电子结构改变。能量很高（几 eV 甚至十几 eV）足够扯断化学键导致光解离，打破 O=O 化学键，变成原子间化学势能（两个氧原子分开，相当于弹簧拉开储存势能）； 多余能量分给两个氧原子，让它们反向高速飞开，就是原子平动动能；总光子能 = 化学键解离能（化学势能）+ 两个氧原子平动动能。

两个氧原子碰撞时，化学势能降低（好像弹簧收缩释放势能），势能全部转化为两个原子的平动动能，能量没地方排，只能变回动能推开彼此，碰撞瞬间又互相弹开，没法稳定结合成氧分子，复合失败。

如果有第三个分子 M（N₂、O₂、O）参与三体碰撞（大气里唯一有效复合方式），O + O + M → O₂ + M。这时，两个氧原子之间的化学键重新生成，储存的化学势能全部释放出来；释放的势能不能留在 O₂内部，否则分子会立刻再次炸开，而是交给了第三者 M，变成 M 的平动、振动动能；新生的O₂分子剩余少量振动能，进一步变成空气热动能。极少数场景下复合会产生弱紫外荧光，但概率极低，可以忽略；大气中 99% 以上复合能量都通过三体碰撞转化为分子动能，不靠辐射发光。

这种光子能量转化为化学能的情形，叫做非局地热平衡，NLTE，紫外光子能 = 新增原子平动热能 + 化学键断裂消耗的化学势能 + 少量荧光辐射能。

不是能量变少、前后不等，只是一部分能量脱离了 “热运动体系”，变成了化学势能，本地单纯靠气温无法平衡能级粒子数。

低空红外线转化为空气热能的原理

因为红外线的能量较低，分子吸收红外光子，因为光子能量很低（零点几 eV），不足以破坏化学键。只改变原子相对振动幅度，电子还待在原来轨道，电子状态不变，称为振动激发态。

15 μm 光子只激发弯曲振动，O=C=O 键角来回弯折，像剪刀开合，两个氧原子上下同步摆动，碳原子居中小幅往复（图中v2）。

刚吸光瞬间（飞秒～皮秒）光子能量只分配给弯曲振动，导致C、O 原子相对振动剧烈加速，振动周期不变，但是每次弯折摆动的最大瞬时速度、最大偏离键角增大；分子整体飞行速度（平动）、分子旋转角速度几乎不变。

几个纳秒（地表情况）后，激发态 CO₂与 N₂/O₂碰撞：振动能量逐步转移为平动、转动动能，宏观表现为气体升温。

激发态二氧化碳在1.1秒内没有与其他分子碰撞，就会放出15 um波长的光子，然后重复这一过程。

因此这一过程是与密度相关的，在底层，分子密度大，碰撞几率大，大多数红外线的能量会转化为空气热能，这就是极性气体分子（二氧化碳、水、一氧化二氮、氨气等）被称为温室气体的原因。（其实温室气体的称呼是站在对流层或者地表大气的角度而言的，指这些气体在大气底层阻拦散热）。

温室气体的温室效应与大气密度有关，在高层，分子密度低，碰撞几率小，（一）比例越来越多的二氧化碳吸收红外线进入激发态后，不是与其他分子碰撞加热大气，而是转化为红外线，（二）15微米波长红外线和二氧化碳碰撞减少。高空空气密度小，越来越多的红外线逃逸到太空，而不是加热大气。所以空气稀薄，二氧化碳等温室气体加热大气的能力减小。

温室气体因密度降低摇身一变成散热剂

如果密度效应仅仅是因为碰撞几率减少导致红外线逃逸（拦截效果不好），还不会导致大气降温。

温室气体的另一个特性导致在低于一定密度的情形下，温室气体会导致降温。

这个特性就是二氧化碳分子的激发态除了通过（1）吸收15微米波长的光子而达到之外，还可以通过（2）与其他分子热动能碰撞而达到。

在空气密度高时，二氧化碳吸收的热能还没有以光子的形式释放就会继续传递给其他分子。

随着空气密度降低，释放光子的概率增加，而光子被拦截的概率减少，因此碰撞吸收的热能以红外线形式进入太空的比例增加。温室气体逐渐称为散热剂。

大气密度协同造就的右倾W型垂直热力结构

大气因为吸收太阳辐射和地表辐射而升温，但是不同气体的吸收波长和发射波长不同，不同气体的分布高度不同，导致不同高度呈现不同的温度。

可以假设某一位置的气体为一个正方体，接收来自上层和下层的辐射，又通过上层和下层向外辐射，前后左右四个边与周围正方体处于平衡状态，不予考虑。

不同高度的立方体中温度基本恒定，说明热量的收支是平衡的。但是不同高度平衡的机制不同。

在对流层顶以上的各层，上方来的辐射几乎没有红外线，而下方来的红外线几乎在对流层内被吸收而减少，所以此处的立方中二氧化碳几乎没有加温功能，只剩降温功能。上方来的紫外线的加温功能加热了氧等分子，通过分子碰撞加热二氧化碳，二氧化碳向外发射红外线，导致这个立方降温，直至达到平衡。

从上至下，

1，在100千米以上，氮气氧气氧原子最多，它们吸收远紫外，中紫外，但是不向外辐射热量，随着高度降低，紫外线强度降低，气体密度升高，因此温度逐渐降低，加之二氧化碳浓度增加，散热增加，所以在100千米高度温度最低。

2，继续往下走，200–320 nm（UVC和UVB）的中紫外和近紫外主要被O₃（平流层）捕获，温度再次升高，在50千米高度，温度再次达到高值，

3，继续往下走，上方来的能量减少，温度开始降低，在10千米左右，温度达到最低。

4，在对流层，立方从上端来的紫外线几乎没有加热效应，从下端接收红外辐射导致二氧化碳受到激发，在此后的1.1秒内与大量分子撞击，（对流层稠密大气中两次分子碰撞之间的时间仅 10⁻⁶ s，即1 微秒），所以二氧化碳吸收的能量会很快传递到其他大气分子，导致大气各个组分升温。这是温室效应的基本原理，而二氧化碳还在通过热辐射向外散热导致这个立方降温，这是立方内热量输入输出平衡的机制。

在上层大气，以氧原子为主，吸收紫外线，二氧化碳浓度低，几乎对外没有输出，温度升高，由于气体密度低，可以达到很高温度如2000度。

随着高度的降低，紫外线浓度降低，气体密度高，虽然吸收的能量增加，但是温度降低。

随着高度降低卡门线，二氧化碳增加，释放的红外线增加，温度降低，到中间层顶温度最低。

随着高度降低，臭氧增加，吸收UVB增加，温度逐渐升高。在平流层顶，虽然臭氧浓度还没有达到最高，但是UVB浓度高，所以温度最高。在臭氧浓度最大值，UVB的浓度因上层吸收而降低，所以此处温度不是最高。

随着高度的降低，来自太阳的紫外辐射能吸收的部分消耗殆尽，不再升温，二氧化碳向太空释放红外线，温度降低。

在最底部的对流层，地表辐射被二氧化碳吸收升温，迅速通过分子碰撞传递给所有的分子，随着高度的继续降低，来自地表的辐射增加，大气升温。

所以大气的热力结构总体呈现由三个温度高值和两个温度低值组成的向右翻倒的W形状（                                               ），这个形状的四条线为四层，三个折点是层顶。

从上到下，最上层为温度高的热层，热层的底部折点为温度最低的中间层顶，然后是中间层，在温度最高处是平流层顶。平流层底部是对流层顶，继续往下是对流层。

神奇的是，热层、电离层和卡门线几乎处于同一高度。

太阳活动周期和昼夜周期对大气热力结构的影响

太阳辐射有昼夜变化，所以白天和晚上会有差异，对流层底部大气温度在白天高，在晚上低，这就是大家都很熟悉的昼夜温差现象。在热层的温差更加明显，可达几十度。

太阳活动强弱也会影响热力结构，太阳活动强时，温度会大幅升高500度，导致大气膨胀，特定高度的气体密度增加，在400千米的卫星和空间站会因为气体密度增加，航天器摩擦增加而减少滞空时间，使用寿命减少。

太阳活动的强弱对150千米以下的大气密度没有影响，150千米以上的大气密度有影响：太阳活动强的时候，高层大气电离程度加深，温度升高，密度会变小。

星链（Starlink）卫星轨道高度约为550-340 千米之间，在太阳活动期间，星链卫星坠落大气层的数量增多。

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