我國古代大詩人屈原曾經仰望長天，在他著名的詩篇《天問》中麵對蒼穹提出：“環則九重，孰營度之？”他把天空看成是由九層巨大的圓環組成。而現代科學則將天空中的大氣分為5層。
包圍地球的大氣總質量大約為6000萬噸，是地球質量的1/1000000，從質量上來說並不大。然而，整個大氣層的高度卻達到10000公裏以上。當然，在很高的空中，空氣是十分稀薄的。
大氣質量在垂直方向的分布極不均勻，由於受地心引力的作用，大氣的質量主要集中在下部，越向上空氣越稀薄。其質量的99%集中在距離地麵30公裏以下，75%集中在10公裏以下，而50%集中在5公裏以下。大氣在垂直方向的物理性質有顯著的差異，科學家將其分為5層，其實隻是為了研究的方便。
第一層為對流層，距地麵最近。由於對流層和地麵接觸，能夠直接從地麵獲得熱量，所以在這一層中的氣體，越接近地麵越熱，也就是說大氣的溫度隨著高度的增加而降低。已經觀測到，在對流層中平均每升高100米，溫度降低0.65
度，在對流層中，下麵的熱空氣不斷上升，上麵的冷空氣不斷下來補充，它們來來往往，就形成了垂直對流。對流層的厚度約為10～12公裏，相對整個大氣層的厚度而言，是很薄的。但是，其質量卻占大氣層的3/4。對流層中的水汽和塵埃較多，雲、霧、雨、雪、雷電等主要天氣現象都發生在這一層。它是對人類的生產、生活影響最大的大氣層次，大氣汙染現象也主要發生在這一層。
對流層之上是平流層，其厚度大約為50公裏。平流層的特點是大氣的的溫度隨高度的升高而增加，平流層底部約為攝氏零下55度，到平流層的頂部升至零下攝氏3度以上。溫度升高的原因是因為在平流層中含有大量的臭氧，臭氧吸收太陽的紫外線，被分解為原子氧和分子氧，當它們重新化合生成臭氧時，釋放出大量的熱，使得平流層的溫度升高。在平流層中，很少發生氣體上下的垂直對流運動，隻能隨地球自轉而產生平流運動，非常穩定。同時，平流層中空氣幹燥，少有水汽和塵埃，沒有雲、雨、風、雪等天氣現象，是個靜悄悄的世界。大氣透明度較高，是現代超音速飛機飛行的理想場所。
平流層上麵是中間層，高度一直到地麵以上85公裏左右。這一層大氣溫度隨高度的上升而下降，一直降到攝氏零下100度。在中間層，氣體又出現較強的垂直對流運動。
中間層上麵是熱成層，上界達800公裏。這一層中的氧原子吸收了太陽紫外光的能量，使得溫度隨高度的上升而迅速升高。該層的大部分空氣分子受到太陽和其它星球射來的各種射線的作用而發生電離，具有大量帶電粒子，所以也稱為電離層。美麗的北極光就出現在電離層。
熱成層以上，也是最高的一層，稱為逸散層，高度在800公裏以上。這一層空氣非常稀薄，實際上是大氣層向太空的過渡。該層的氣溫也隨高度的升高而增加。
大氣是一種混合氣體。在接近地麵的幹燥清潔空氣中，按體積計，氮氣占78
09%，氧氣占20
94%，氬氣占0
93%，這三者共計約占空氣總量的99
96%。大氣中的水汽含量根據空間位置和季節的變化而改變，一般在1%～3%，在熱帶可達4%，而在兩極則不到0
1%。大氣中的二氧化碳正常含量為0
033%，但由於人類活動中二氧化碳的大量排放，使得其含量有較大增加，已經成為大氣汙染的重要環境問題，引起人們越來越多的關注。通常大氣中還含有塵埃、花粉、冰晶等雜質。
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