大气圈层
亚里士多德认为世界是由4个圈层所组成，即组成世界的四大元素为：地（固态球体）、水（海洋）、气（大气层）以及火（看不见的外层，偶尔以闪电形式出现时可以看见）。至于这4层以外的宇宙，亚里士多德则认为是由一种完美而超自然的以太所组成。
这样完整的结构没有任何空隙：地一结束，水便开始；等两者都结束，空气接着开始；空气完了，火接着开始；火结束了，以太便又跟着展开；如此一直到宇宙的尽头。这就是古人所谓“大自然厌恶真空”的观念。
观测大气
过去有一种把水从井中抽上来的抽水机，可以相当确切地用来说明这种“厌恶真空”的道理。在图5-1中，活塞紧密地安装在一个柱筒内，当抽水机臂向下压时，活塞向上升起，柱筒底部便形成真空状态；但是由于大自然厌恶真空，因此周围的水便冲开柱筒底部的一个单向阀门，充填原来真空的地方。如此反复地抽水，使柱筒内的水位愈升愈高，直到水由抽水机的嘴部流出。
图5-1 抽水机原理。当压抽水机臂把活塞拉起时，柱筒内即产生部分真空，水便由一个单向阀门进入柱筒内。如此反复动作，水面升到足够的高度时便由嘴部流出
根据亚里士多德的理论，应该可以用这种方法把水提升到任意高度。但是，矿工们却发现，他们把水由矿井底部抽上来时，无论压水压得再久，再怎么用力气，始终无法把水抽到超过水源水平面10米以上。
伽利略在他漫长而充满强烈好奇心的一生的晚年，逐渐对这个令人困惑的问题感到兴趣。但他除了“大自然厌恶真空”很明显地只能达到某个特定限度之外，并没有得到其他任何结论。同时他也想知道，如果改用其他密度比水大的液体来代替时，这个限度是否会降低？但不幸的是，伽利略没来得及做这个实验便去世了。
1664年，伽利略的学生托里拆利和维维阿尼做了这个实验。他们选择密度为水13.5倍的水银，把它装进一根长约90厘米的玻璃管内，用塞子塞住开口端，然后把玻璃管倒过来放进一个装满水银的盆子中，再把塞子拿掉；这时管子中的水银便开始流入盆中，但当管中水银柱面下降到离盆中水银平面以上约76厘米（30英寸）高时，水银便不再从管中流出，而维持在那个高度上。
最早的气压计便是利用这个方法制成的。现代的水银气压计与此也无本质上的不同。但过不多久就发现水银柱的高度并不总是恒定不变的。17世纪60年代英国科学家胡克发现，当暴风雨来临之前，水银柱的高度就会下降。这可以说是科学的天气预报或所谓气象学的开端。
到底是什么东西在支撑水银柱呢？当时维维阿尼便认为是由于大气的重量压在盆中的液体上；这是一个革命性的想法，因为在亚里士多德的观念中，空气是没有重量的，而只是在地表上一个特殊的球形层次而已。现在我们已经知道，那约10米高的水柱或76厘米高的水银柱正是要测量的大气重量——即从海平面起向上，在相同截面积上空气柱的重量。
这个实验同样显示大自然并非在所有情况下都厌恶真空。当水银柱在管中降落时，管子的封闭端所形成的空间便是真空，其中除了含有极少量的水银蒸气外，并没有任何东西在里面。这也就是第一个人造真空即托里拆利真空。
从此，真空便立刻加入了科学贡献的行列中。1650年，德国学者基歇尔证明声音在真空中无法传播，因而曾一度支持了亚里士多德的理论。10年之后，波义耳证明轻的物体与重的物体在真空中下落的速度一样快，因而证明了伽利略的运动理论，而推翻了亚里士多德的观点。
如果空气的重量有一定的限度，那么它的高度也一定是有限的。实践证明大气的重量是105牛顿/米2（14.78磅/英寸2）。据此，如果大气在垂直方向上的密度保持均匀，则大气层高度大约只有8公里（5英里）左右。但是波义耳在1662年时已证明并非如此，因为压力会增加空气的密度。他把两臂长度不同的U形管竖起（图5-2），然后在U形管较高的一端倒入一些水银，于是水银便在较短的封闭端内压缩了一些空气。当他再倒进更多的水银时，空气体积便进一步被压缩，同时压力也增加了。波义耳发现，当水银重量增加越多，封闭端空气柱的体积便压缩得越小。经过更加精确地测量，波义耳证明当气体体积减为一半时，压力便增加为两倍。换句话说，体积与压力是成反比的（图5-2）。这个历史性的发现被称为波义耳定律，它正是一系列发现的第一步，最后导致原子理论的诞生。正由于空气受压力后要减小体积，因此在海平面上空气的密度应最大。而随着高度的上升，因其上空气重量逐渐减少，因而大气上层的空气便越来越稀薄。这个规律由法国数学家帕斯卡在1648年最早予以证实。当时他把小舅裴利尔送到约1600米（1英里）高的山腰上，并且要他带上气压表沿途观测气压表的水银柱是如何随高度的增加而降低的。
图5-2 波义耳的实验图。将U形管的短（左）端塞住，向长（右）端中倒入水银时，那短端被封闭的空气便被压缩。波义耳证明了那短端内被封闭的空气体积与其压力成反比，此即为波义耳定律
理论计算的结果指出，如果在上升过程中温度一直保持不变的话，则每上升19.3公里（12英里）的高度，大气压力将减为原来的1/10。换言之，在19.3公里高的地方，大气所能支撑水银柱的高度将由原来的76厘米降为76毫米。而在38.6公里处，降为7.6毫米；57.9公里高时则降为0.76毫米，依此类推。当到了173.8公里高度时，大气压力将大约只有0.000000076毫米水银柱高。这听起来似乎不大可能，但是即使如此，在173.8公里高度以上地球大气的重量仍有600万吨之多。
事实上，这些数字不过是大约估计而已。因为空气的温度是随高度而有变化的。然而，这些数字确实澄清了上述问题，同时也使我们知道了大气是没有确定的上界的，它们渐渐地消失在那接近真空的空间。一般流星的曳尾大约要到161公里（100英里）高度上才能被探测到，在那里大气压力只有地表的百万分之一，空气密度只有地面的十亿分之一，但其空气阻力却已足够使流星物质产生白热化的高温了。此外，由外层空间来的质点撞击造成的白热化气体所形成的北极光，则发生在海平面上805～966公里(500～600英里）的高空之中。
大气旅行
从很早以前开始，遨游天空一直就是人们热烈向往的愿望。风确实可以使树叶、羽毛和种子等较轻的物体在空中飞舞，而更让人印象深刻的则是那些会滑翔的动物，例如鼯鼠、袋鼯，乃至飞鱼，直到那些真正能够飞行的昆虫、蝙蝠以及鸟类。
人类企图模仿这些动物的渴望在神话及传说中留下了记载。例如神及恶魔按惯例总是能在空中来去自如，而天使、仙女们在插图中也都画有翅膀。另外，还有伊卡罗斯（见第三章 ），飞鸟佩伽索斯，以及东方传说中的飞毯等都是。
风筝可以说是第一种至少能在天空中相当高地翱翔相当时间的人造工具。它是把纸张或其他类似物质铺开并粘在轻而薄的木制骨架上，再加上稳定用的尾巴，以及控制它的细细长绳而构成。风筝似乎是在公元前4世纪时，由希腊哲学家阿契塔所发明的。
虽然风筝可以有许多实际用途，但几千年来一直主要是被用在娱乐方面。风筝可以在开旷地区把提灯带到空中作为信号之用；它也可以带着轻绳飞越过河流或峡谷，然后这些轻绳可以用来把较粗的绳索拉过河的对岸，直到桥建成为止。
1749年苏格兰天文学家威尔逊最早把风筝应用于科学目的。他把一个温度计装在风筝上，以测量某一高度的温度。更重要的是B.富兰克林1752年所放的风筝，我们将在后面第九章 中再次谈到。
在此后的一个半世纪当中，风筝（或类似能用于滑翔的人工器具）虽因不够大且不够坚固，因而仍无法载人，但这个问题却在富兰克林时代以另一种方式解决了。
1782年，两位法国兄弟J.M.蒙戈尔费埃，在一个底部有开口的大袋子底下点火，使袋子里充满了热空气而逐渐上升，成功地施放了第一个气球。之后的几个月内，气球屡经改良，且改用密度仅为空气1/14的氢气，使得每公斤的氢气可以负载13公斤。因而这种有吊篮的氢气球已经可以载动物和人。
在第一个气球升空后的一年内，一个名叫J.杰弗里斯的美国人，乘坐带有气压计及其他仪器的氢气球飞越伦敦，途中还收集了各个高度上的空气。1864年，法国科学家盖·吕萨克上升到将近7240米（4.5英里）的高空，并取下了一些稀薄空气的样品。由于法国气球专家布朗夏尔在气球时代最颠峰的1785年发明了降落伞，而使得这种冒险行动较为安全。
然而，这个高度似乎已经是人们在开口吊篮气球中上升的极限了。有三个人在1875年上升到了9656米（6英里）的高空，结果只有一名叫狄山迪尔的人在缺氧条件下幸存了下来。由于这名幸存者描述了在高空时因空气缺乏而产生的症状，航空医学便由此诞生。携带仪器的无人驾驶气球于1892年被设计出来并开始工作，它们能够上升到更高的高度，并从这些尚未探测的高度上带回有关温度以及气压的资料。
在最初上升的数公里高度之中，正如我们所预期的那样，温度是下降的。到了11.3公里（7英里）左右，温度为－55℃。但再上升，温度变化却令人感到惊讶：在这个高度以上，温度不但不下降，事实上反而有上升的趋势。
法国气象学家泰塞朗·德博尔早在1902年就提出大气可能有两层的假设：一层是包括风、云、暴风雨以及我们所熟悉的天气变化的不稳定下层。1908年泰塞朗·德博尔称之为对流层（由希腊文“变化的层”而来）。另一层即是包括像氦、氢的轻气体副层的较稳定上层，泰塞朗·德博尔称之为平流层（即“含有多层”的意思）。他把温度停止下降的那个高度称为对流层顶（即“（温度）变化停止”之意），或称之为对流层与平流层间的边界。后来发现，对流层顶的高度也是有变化的：由赤道地区的海平面上空约16公里左右到在两极地区上空只有大约8公里。
第二次世界大战期间，美国高空飞行轰炸机在紧挨对流层顶下方发现了一个令人注目的现象，即急流。它是一股强而稳定并以每小时将近800公里的速度自西向东吹的强风。事实上地球上急流有两支：一支在北半球，包括美国、地中海、中国北部等纬度的地区；另一支则在南半球，包括新西兰、阿根廷等纬度的地区。这些气流经常迂回曲折地流入比它平均路径更南或更北的涡漩之中。目前飞机常乘这股快速急流顺风飞行。但更重要的发现则是，急流对大气中较低层次上气团的运动有极大影响。这项知识立刻对天气预报艺术的提高产生了莫大的帮助。
因为人类无法在稀薄而寒冷的高空大气中生存，因此必须设计出一种气压、温度均保持与地面相同的密封舱。1931年，皮卡德兄弟（A.皮卡德和J.F.皮卡德）乘一个密封的吊篮气球上升到17.7公里的高空（其中的A.皮卡德在不久之后发明了深海潜水箱）。自此以后，使用比丝绸更轻且孔隙更小的塑料物质制造的新气球，能上升到更高的高空，且在高空停留更长的时间。1938年，一个命名为“探险者1号”的气球飞升到大约21公里的高空中。到1980年为止，由人操纵的气球能够升到约37.8公里的高空，而无人操纵的气球升到了超过51.5公里的天空中。
由于能够上升得更高，于是人们发现，对流层顶以上近乎恒温的层次并不是无限地向上延伸的。平流层在大约32公里的高度便结束了，从这里再向上，温度又开始上升。
由平流层再向上，就是空气质量只占地球大气总量2%的高层大气。由于有了更长足的进步，高层大气在20世纪40年代，终于被新型的运载工具——火箭（见第三章 ）所穿越。
要读出记录高空状况仪器的最简单办法，就是把仪器自高空取下直接看。由风筝带上空中的仪器可以很简单的取下来，但是气球在这方面就不那么容易处理了，而火箭则根本不可能下降回来。当然，仪器盒也可采取从火箭中喷射出来从而单独降落回地面的方法，但这种方法不很可靠。事实上，火箭如果没有遥测技术的发明，那它在大气探测上是不可能有多大用处的。最早把遥测技术应用于大气研究的是苏联科学家莫尔恰诺夫，1925年他把遥测仪器安装在气球上。
这种“远距离测量”的技术实际上就是把测量的状况（例如温度）转换成电脉冲，然后用无线电发回地面，再观察脉冲波强弱或间隔的变化情况。例如，温度的变化会影响到导线的电阻，也就改变了脉冲的特性。气压的变化同样可以由某种类型的脉冲波来传送，这是因为空气能使导线冷却，而冷却的程度则视气压大小而定。辐射也能在探测器中发出脉冲，诸如此类皆是同样道理。现在这种遥测传送已经精密到使火箭除了交谈之外什么事都能做的地步。同时那些错综复杂的电信号也不得不交由快速的电子计算机加以处理。
火箭及遥测仪观测的结果显示，在平流层以上，海拔48.3公里高度处，温度上升到一个最高值，即约－10℃。然后在80.5公里高度时又下降到－90℃。这个温度先升后降的层次称为中层，这个名词是英国地球物理学家查普曼在1950年时所创造的。
中层以上，只剩下地球大气质量十万分之几的稀薄空气。但这里的大气原子虽然极稀少，温度却稳定地上升，到了483公里高度上，估计大约为1000℃左右，更高的地方温度可能还要高，于是该层被称为热层，它恰好与亚里士多德原来所指的火层相一致。当然，温度在这里已经并不意味着一般意义上的热，它只是表示质点运动速率的一种度量罢了。
升过483公里的高度，便进入了外逸层，这是斯皮策在1949年最先采用的名词。它延伸到大约1610公里的高空，而且渐渐地消失于行星际的空间之中。
由于对大气知识的增加，使我们终于能够对天气真正做些事情，而不只是谈论而已。到目前为止，已经有一个小小的起步了。20世纪40年代初期，美国科学家V.J.谢弗以及朗缪尔注意到，在温度非常低时，大气中会产生微小的细冰核，而雨滴正是在这种微核上由水汽凝成的。1946年，一架载着固体二氧化碳的飞机，将粉末投入云层，使之先凝结成核再形成雨滴。这就是所谓的播云造雨。半小时以后真的下雨了。范内格特在不久之后发现，如果从地面上发生碘化银烟粒或直接在高空引入碘化银烟粒效果会更好，于是他改进了这项技术。这种人造雨能使干旱结束，当然在播云前首先要有这种云层。1961年，苏联的天文学家利用这种播云造雨的方法，成功地把天空中的一块乌云消去，从而很好地观测了日食。
其他关于天气改造的尝试，还包括台风催化，其目的是使台风夭折或至少减小它的强度（播云造雨还可用来使危害庄稼的冰雹不再形成，以及驱散云雾等等）。当然，我们总是希望这些努力的结果都能如愿以偿，但却从未获得确实的成功。再谨慎的天气改造①总会在帮助一些人的同时伤害另一些人，例如，农民要求下雨，但游乐园的主人可能并不希望如此。由此产生的诉讼案件对天气改造的规划产生了消极的影响。因此，在这个问题上前景仍然是不确定的。
火箭也不只是用于探测而已（虽然本书第三章 中仅提到这种应用），它们同样也能够并且已经应用在人类每天必需的服务上了。事实上，某些形式的探测也有它直接的实际应用。如果我们把一颗人造卫星（用火箭）发射到轨道上，它不仅能用来观测太空，也可以把仪器转向地球。用这种方法我们首次看到整个地球（或至少在某个时刻可以清晰地看到大部分的地区），并得以完整地研究全球大气的循环。
1960年4月1日，美国发射了第一颗“天气眼”气象卫星——泰罗斯1号（即电视红外观测卫星）。同年11月又发射了泰罗斯2号，并在10周内送回了超过两万张的地球表面及其覆盖云层的放大照片，其中包括一个在新西兰的气旋，以及当时在美国俄克拉何马州上空产生龙卷风的一个云团。而在1961年7月发射的泰罗斯3号，拍摄了18个热带风暴，该年9月它比一般传统方法早两天发现了加勒比海上空的正在发展的埃斯特飓风。于1964年8月28日发射升空的更敏感的雨云1号卫星，它能发回在夜间拍摄的云层照片。此后，许多国家中数以百计的自动图像传送站纷纷建立并投入运行，如果没有这些卫星资料，今日的天气预报将会令人难以想象。现在美国每天每家报纸上都能刊出一幅卫星云图照片。今日的天气预报虽然在定量上并不完全正确，但已经不像25年前那样，只是一种粗略的猜想而已。
更吸引人且更有用的是，气象学家们已经能够及时发现并且追踪飓风的位置。这些强烈的风暴，现在比过去具有更大的破坏性，因为第二次世界大战以后，沿海地区建筑物林立，人口也更加稠密，因此要是没有对这些飓风位置以及动向的了解和预报，人们的生命及财产损失无疑会比现在要严重好几倍。（就空间计划的用途和价值来说，光是利用卫星追踪飓风所省下来的钱，就比空间计划本身的花费要多得多！）
卫星对地球上的其他用途也陆续被开发出来。早在1945年，英国科幻小说家A.C.克拉克就指出卫星可用于转播，使无线电信号跨越大洲和大洋。只要有三个安置于适当战略地位的卫星，便能够覆盖整个世界。这在当时只是一个疯狂的梦想，却在15年后逐步实现了。1960年8月12日，美国发射了回声1号，它是一个利用聚酯做成的薄气球，外表涂了铝。这个气球充气后直径达30多米，用来作为无线电波的被动反射器。这项成功计划的领导者就是贝尔电话实验室的波尔斯，他也曾用笔名写过科幻小说。
1962年7月10日，美国发射了电星1号通信卫星，它除了反射电波之外也接收电波，并将接收的电波放大后再发射出去。借助于电星1号，电视节目终于第一次越过了大洋。1963年7月26日，同步通信卫星辛康2号被发射到距地面35890公里（22300英里）高空的卫星轨道上。它的轨道周期恰好是24小时，因此定位于大西洋上空，与地球作同步旋转。同步通信卫星辛康3号也以同样同步的方式，布置在印度洋上空，利用这颗卫星，1964年10月曾把日本奥运会实况转播到了美国。
更复杂的通信卫星晨鸟号在1965年4月6日发射升空，它拥有240个通信频道及一个电视频道可供使用。同年苏联也发射了一个通信卫星。到了1970年，由于卫星转播，电视、广播、无线电话基本上已成为全球性的通信工具，从而使地球真正成为“一个世界”。
卫星当然也可用来绘制地球表面及研究云层，卫星还可以大尺度地研究积雪、冰川移动以及一些地理上的详细资料。后者虽然没有前者明显，但却同样也是事实。根据这些地理上的详细资料，还可确定地下储油的地区。此外，卫星还可用来研究大范围的森林和农作物，那些有不正常现象或疾病分布的地区，也都可在卫星图片中精确地被指示出来。同时还可以找出发生森林火灾的地区，以及需要灌溉的区域等等。其他如海洋中的海流以及鱼群的移动等，同样都能用卫星来加以研究。正因为这些地球资源卫星是如此的重要，所以这也正是对质问为何面临许多“发生在自己家乡”的重大问题而却仍把大量金钱花费在空间的那些人的最直接的回答。因为毕竟这些问题只有从空间才能够做最佳的研究，并且找出解决的方法。
最后，在轨道上还出现了许多所谓的间谍卫星，用来侦察军队的行动、集结及储备等状况。更有不少人计划使空间成为另一个战场，甚至发展出杀手卫星，用来击落敌人的卫星或安置更先进的武器于空间，以便能比地基武器进行更迅速的攻击。
空气中的气体
低层大气
直到现代，空气总被人们认为是单纯、均匀的物质。到17世纪初，比利时佛兰芒族化学家范黑尔蒙特怀疑空气中存在着化学性质不同的气体。他研究发酵果汁中所放出的气体（二氧化碳），认为那是一种新的物质。事实上，他是第一个使用气体这个名词的人，他认为气体这个词是大约在1620年间由希腊字“浑沌”——宇宙形成时生成的原始物质而来的。1756年，苏格兰化学家布莱克充分地研究了二氧化碳，并确认它是与空气不同的气体，甚至他还指出了空气中也有这种气体少量存在。10年之后，卡文迪什研究了一种大气中尚未发现的可燃气体，后来命名为氢。这表明了大气成分的复杂性。
第一个证明空气是混合气体的人，是法国化学家拉瓦锡。他在18世纪70年代所做的实验中，把汞放在密闭容器中加热，发现汞与部分空气化合，生成一种红色的粉末（即氧化汞），但原来空气的4/5仍是气体。再继续加热，也无法继续消耗这些剩余气体。蜡烛无法在其中燃烧，老鼠也无法在其中生存。
拉瓦锡于是认定空气是由两种气体组成的。在他的实验中与汞化合的那1/5气体，是空气中支持生物生存与燃烧的那一部分，这一部分他称之为氧，其余部分他称之为氮（源自希腊文，意思是“无生命”）。不久后，氮就熟为人知，因为这种物质存在于硝酸钠（即硝石）之中。实际上这两种气体都已在这10年内发现过，氮是在1772年由苏格兰医生拉瑟福德所发现，氧则是1774年由英国一位论派牧师普里斯特利所发现。
仅是这些，就足以证明地球上的大气在太阳系中是独一无二的。除了地球以外，太阳系中其他七个星球也已知有大气存在。木星、土星、天王星以及海王星上均可能有氢气层（木星和土星上肯定有氢气层），并有少量氦成分。火星、金星则有二氧化碳大气层，并含少量的氮成分。土卫六则有氮气层，并含少量的甲烷成分。只有地球的大气含有两种主要气体，也只有地球的大气中氧是一种主要成分。氧是一种活泼的气体，由普通的化学常识可知，它会与其他元素化合而从大气中消失。这在本章后面还要讨论，现在让我们继续探讨空气中化学成分的组成。
在19世纪中叶以前，法国化学家勒尼奥分析了世界各地的空气样本，发现各地的空气成分均是相同的。氧的含量是20.9%，而空气中的其余部分除了微量二氧化碳以外，均假定都是氮。
氮是一种比较具有惰性的气体，即它不易于与其他物质化合。但它仍然可以被迫与某些物质化合。例如把它和镁一起加热后便生成固体的氮化镁。在拉瓦锡的发现后几年，卡文迪什尝试利用电火花的影响，使氧、氮化合，把氮用尽。但他失败了，不管他怎么做，总是无法将略小于原量1%的残余气泡除去。于是他认为，这可能是另一种未知气体，而且比氮的惰性更大。但是，并非每个人都像卡文迪什那样对这个问题感兴趣，因此这个谜当时并未继续研究下去，从而使这种残余气体的性质，在此后的一个世纪中都没有弄清楚。
1882年，英国物理学家瑞利勋爵把从空气中取得的氮的密度和某些特定化合物中氮的密度相比较时，惊讶地发现空气中的氮的密度肯定要大。这是否是因为从空气中得到的氮不纯，含有其他较少量但较重的气体呢？一位苏格兰化学家拉姆齐帮助瑞利勋爵进一步研究了这个问题。他们把空气中耗尽氮后所剩下的少量气体加热，结果在光谱分析中发现了一组新的亮线，那是不属于任何已知元素的光谱线。他们把这个新发现的极不活泼的元素称为氩，由意为“迟钝”的希腊字演变而来。
氩几乎完全地说明了空气中剩下的1%未知气体。但大气中仍会有好几种待找的痕量气体成分，只不过每种成分大都只占百万分之几而已。在1890年间拉姆齐继续发现了另外4种更惰性的气体：氖、氪、氙，以及30多年前就在太阳光谱中发现的氦。近几十年来，由红外线光谱仪又发现了其他3种气体：氧化亚氮（即笑气），其来源不太清楚，以及由有机物腐败产生的甲烷和一氧化碳。甲烷乃是在沼泽地释放出来的，另外据估计，每年牛群和别的大动物肠子中排出大约4500万吨同样的气体进入大气之中。而一氧化碳则多半是人为造成的，即由于木柴、煤或汽油等的不完全燃烧所产生的。
平流层
到目前为止，我们只探讨了最低层大气的组成，平流层的情况又如何呢？泰塞朗·德博尔相信那里会有一定数量的氦和氢，漂浮在一些比较重的气体上面。但是他错了。在20世纪30年代中期，苏联的气象专家在上层平流层取回了一些空气样本，证实了其组成仍和对流层相同，即氧和氮以1:4的比例组成。
但是仍有许多理由使人相信在更高的高层大气中仍有特殊的气体存在，其中一个理由就是气辉现象。这是在整个夜空中所出现的非常微弱而普遍的亮光，即使无月夜也是如此。大气气辉的总亮度显著地比星星大，只是因为它分散漫射，以致于除了灵敏聚光的天文仪器外，不容易观测到。
多年来这个光的来源一直是个谜。1928年，天文学家斯里弗成功地在气辉中探测到一些奇异的光谱线，与W.哈金斯在1864年于星云中所发现的光谱线相同，因而被认为是一个未知的元素，称之为气云。1927年，通过实验室实验，美国天文学家I.S.鲍恩指出，这条光谱线来自氧原子，也就是以单独一个原子形式存在的氧，而不是一般双原子即以分子形式存在的氧。同样地，在大气气辉中找到的其他光谱线，也证实是来自氮原子。在高层大气中的氧原子以及氮原子，是由于太阳的高能辐射使得分子分裂成为单一的原子——这种可能性是查普曼在1931年首次提出的。很幸运，这些高能辐射在到达低层大气之前就已经被吸收或减弱了。
查普曼认为，大气气辉是白天被太阳能所分裂的原子，在晚上重新结合之后所放出来的。在这个重新结合的过程中，原子放出了在分裂时所吸收的能量，因此，大气气辉可以说是太阳光以一种新而特殊的形式出现的滞后和微弱的回复。1956年在席里可夫的领导下，在实验室中和利用火箭在高层大气中进行了实验，为这个理论提供了最直接的证据。由火箭所携带的光谱仪，在96.6公里（60英里）的高空非常清楚地记录下氧原子的绿色光谱。在这里氮只有很少一部分以原子形式存在，因为氮分子彼此结合的能力要比氧来得强。但是到了153公里（95英里）的高空，氮原子的红色光谱线就相当强烈了。
斯里弗还在大气气辉中发现了类似于我们已知的钠光谱线。由于在高空钠的存在似乎是不可能的事，因此使事态陷入了困惑之中，究竟钠在高层大气中起些什么作用呢？因为它根本不是气体，而是一种非常活泼的金属，以致于在地面上无法单独存在，通常都和其他元素化合在一起，最常见的是氯化钠，也就是一般餐桌上的食盐。到了1938年，法国科学家证实那确实是和钠一模一样的光谱线。不论是否可能，钠确实存在于高层大气中。火箭实验也证实了这件事，他们使用的光谱仪无误地记录下了钠的黄色光谱线，其中以88.5公里高度处最为强烈。钠究竟从何而来？仍然是一个谜，也许是来自含盐的海水浪花的水沫，或是来自气化的陨石？更令人困惑的是1950年在大气的气辉中又发现了锂，一种钠属的稀有元素。
在实验过程中，席里可夫小组制造出了人造气辉，他们把火箭发射到若干公里的高空中，然后释放出一氧化氮气体云，它加速了高层大气中氧原子的重新结合，在地面上的人便很容易看到由此产生的亮光。同时一个以钠蒸气所做的类似试验也成功了，它产生了清晰可见的黄色光芒。1959年10月，苏联科学家发射月球3号探测器时，就是利用释放钠蒸气云作为它进入轨道时的可见信号的。
在大气的稍低层次上，原子氧不见了。但是太阳辐射仍具足够的能量，因而导致3原子氧——俗称臭氧的诞生。臭氧的浓度在24公里处最大，因而此处称为臭氧层。这是1913年由法国物理学家法布里首次发现的。这里的臭氧含量虽然只占空气总量的1/4000000，但已足以吸收掉大量紫外线，从而保护了地球表面的生命。
臭氧是由氧原子（单原子）和氧分子（双原子）结合而成。因为它并不稳定，所以无法大量积累。这种3原子的氧分子很容易因太阳光作用，以及大气中自然产生的微量一氧化氮，或者其他化学物质的作用，而分解成更稳定的双原子形式。臭氧不断形成与分解的平衡，使臭氧层中总是维持一定浓度的臭氧。由于臭氧大量遮蔽吸收了太阳光中的紫外线（紫外线会把一些对生命组织很重要的纤弱分子破坏掉），因而保护了地球上的生命。这种过程自氧首次在地球大气中大量出现以来就已经开始了。
臭氧层位于对流层以上不远，其高度的纬度分布和对流层顶也相同：两极最低，赤道最高。臭氧浓度亦在两极地区最高，而赤道地区因阳光分解作用最强而浓度最低。
如果因为人类科技所产生的某些物质加速了大气中臭氧分解的速度，因而削弱了臭氧层的遮蔽吸收效应，将是非常危险的。因为遮蔽效应的减弱将造成到达地面的紫外线增加，从而造成皮肤癌发病率的上升，尤其是那些皮肤白哲的人更加如此。据估计，臭氧遮蔽的效应减少5%时，地球上每年大约会增加50万个皮肤癌的病例。紫外线的强度增加，又会影响到海水表层的微生物，如一些浮游生物，这可能会带来可怕的后果，因为这些浮游生物乃是海洋生态中食物链的基础，在某种程度上也是陆地上食物链的基础。
因世界科技发展而影响到臭氧层的危险确实是存在的，喷气飞机在平流层中飞行，以及火箭穿过大气层进入空间时，这些运载工具所排放出来进入高层大气的化学物质，都可设想到会加速臭氧层的破坏。在1970年初，这个可能性就被用来作为反对发展超音速飞机的一个理由。
1974年，又意外地发现喷雾器可能也具有同样的危险性。这种器具使用封闭的氟里昂（我们将在后面第十一章 再来讨论这种气体）作为压力源，将瓶中的物质，如发水、除臭剂、空气清洁剂等呈雾状喷射出来。在化学上，氟里昂本身是无害的，它可看作是一种无色、无臭、不活泼、不起化学作用和对人类没有影响的物质。每年大约有77110万公斤的氟里昂从各种器具中散布进入大气中。
这种不与任何东西反应的气体，慢慢地进入大气层，最终来到了臭氧层，在这里它便可能加速臭氧层的分解破坏。这个可能性源于实验室中的实验，至于在真正的高层大气中是否真的如此，仍然无法确定。但是这个可能性总是表示了一种危机，如果以一种漫不经心的态度去对待它，将会造成极大的危险。自从有了这个争论之后，氟里昂喷雾器的使用数量便大大地减少了。
然而，氟里昂却仍大量地在空调及电冰箱冷冻方面使用，而这方面是不易不用或被取代的。因此臭氧层仍受到威胁，因为这些氟里昂一旦生成，迟早会排入到大气层之中。
电离层
到了更高空，臭氧并不是惟一的大气成分，更远程的火箭实验证实，泰塞朗·德博尔关于氦气层与氢气层的猜测是对的，只是位置弄错了。由322公里（200英里）上升到966公里（600英里）的高空，大气已经稀薄到接近真空。在这里有一层氦气层，现在叫做日光层。这一层的存在，是1961年由比利时物理学家尼柯列特由回声1号卫星所受摩擦阻力而推断出来的。而这个推断则由1963年4月2日发射的探险者17号对其周围稀薄气体环境的分析而得到了证实。
在日光层上方，是一层更稀薄的氢气层次，叫做质子层，该层约向上扩展到64370公里（40000英里），然后便逐渐过渡到通常星际空间的密度。
在高温高能的辐射下，不仅能迫使原子分裂或重新结合，也能将原子的电子轰击掉，从而把原子离子化。失掉电子的原子称为离子，不同于一般带有一个电子的正常原子。离子这个词最早由英国学者休厄尔在1830年所采用，系由希腊词“旅行者”演变而来。其原因是因为当电流通过带有离子的溶液时，带正电的离子会朝一个方向运动，而带负电的离子则朝另一个方向运动。
一位名叫阿伦尼乌斯的年轻的瑞典化学系学生，在1884年第一次提出离子乃是带电的原子，用来作为某些特定溶液能够导电的解释。在他的哲学博士论文中所提出的这种观念是如此具有革命性，以致于教授们几乎不让他的论文通过。由于当时原子中带电的质点（电子）尚未被发现，因此带电原子的概念显得十分可笑。最后阿伦尼乌斯还是得到了学位，但是以刚好通过的最低成绩得到的。
直到19世纪90年代末期电子被发现之后（见第六章 ），阿伦尼乌斯的理论立即显得惊人的合理。这篇19年前差点使他得不到学位的论文，却使他在1903年荣获了诺贝尔化学奖。我们不得不承认，这听起来好像是不可能发生的电影剧本情节，但在科学发展的历史中，却确实有许多类似这种使好莱坞都显得缺乏想象力的小插曲。
一直到马可尼开始他的无线电实验之后，才发现大气中存在有离子。1901年12月12日，他从康沃尔发射无线电信号，横越了3380公里的大西洋到达纽芬兰，震惊了科学家们。无线电波是沿直线进行的，那么电波是怎样沿地球的曲面传送到纽芬兰的呢？
一位英国物理学家亥维赛以及一位美国电机工程师肯涅利不久后提出，无线电信号可由高层大气中的带电质点层反射回来。该质点层被称为肯涅利-亥维赛层，但直到1922年才最终找到它的位置，英国物理学家阿普顿在研究无线电传输的奇异衰减现象时发现了此层的存在。他认为，这种衰减现象是两种相同信号互相干涉的结果：一种是直接来自发射器的信号，另一种则是由高层大气反射回来的信号。这个延迟到达的反射波和原波之间有相差存在，于是两波部分地互相抵消，造成了信号的衰减。
要找到这个反射层的高度并不困难，阿普顿所需要做的只是发射这样一个信号，其波长能使直接发射信号与反射信号恰好抵消，也就是这两个信号能恰好在异相时会合。根据所发信号的波长和已知的无线电波速，他便能计算出这两组波传播距离的差异。用此方法，他在1924年确定肯涅利-亥维赛层的高度大约是105公里（65英里）。
这种无线电信号衰减的现象通常发生在夜间。1926年阿普顿发现，接近傍晚时无线电波并不是由肯涅利-亥维赛层而是由更高层（现在有时称阿普顿层）反射回来（图5-3），这层高度约为225公里（140英里）。
图5-3 大气层剖面图。锯凿线代表电离层中肯涅利-亥维赛层及阿普顿层反射的无线电信号。空气密度随高度增加而减小，以海平面上大气压的百分比表示
所有的这些发现，使阿普顿获得了1947年诺贝尔物理学奖。他划定了大气中称为电离层的重要层次。电离层这个名词是苏格兰物理学家沃森·瓦特在1930年引用的，它包括了后来命名的中层及热层。现在则分为好几层，平流层以上到约105公里（65英里）是D区，在这之上是肯涅利-亥维赛层，称为D层。D层以上一直到约225公里（140英里）左右是E区。这是一个离子相当稀少的过渡地带。接下来就是阿普顿层：包括225公里高的F1层及322公里（200英里）高的几层。F1层离子最丰富，F2层则只有在白天时才显著增强，在这两层之上则是F区。
以上这几层只能反射与吸收一般无线电台发射的长波，像电视所用的短波则大部分能穿透过去。所以，电视播放的范围有限，但这个限制可用天空中运行的卫星转播站来补救，使现场电视节目得以横越大洋和大陆。同样地，由空间传来的无线电波，例如来自射电星的，也能穿过电离层，否则，地球上便不能发展出射电天文学。
经过一整天的太阳辐射效应之后，电离层在白天结束时达到最强，但黎明时又减弱，因为大量离子和电子又会重新结合。太阳上的扰动也会强化传向地球的质点流和高能辐射，从而使离子层更强更厚。在这电离层以上的层次也闪烁着极光的景象。在发生这些电子风暴时，地面上无线电波的长距离传播都会受到干扰，有时甚至连整个信号都中断了。
事实证明电离层只是环绕地球的辐射带之中的一条。至于大气层之外的情形又如何呢？1958年，探测卫星在过去认为是“空空洞洞”的太空发现了一项令人惊奇的事实。为了理解这个事实，我们现在暂时先离开本题，来谈一谈“磁”这个主题。
磁铁
磁铁的名称来自古希腊马格尼西亚镇，最早的天然磁石就是在那里发现的。这是一种具有天然磁性的氧化铁，传说在公元前550年米利都人泰勒斯是第一位描述磁铁的哲学家。
磁与电
古代的人们发现，经天然磁石摩擦过的钢针能够被磁化，而且如果将这根针放置在某一转轴上，使其在水平面上自由转动，它将会静止在近乎南北的方向上。这种针对船员很有用处，虽然波里尼西亚人不靠指南针也能设法逐岛跨越太平洋，但实际上罗盘已经成为海上航行不可缺少的物品。
没有人知道是谁首先把这样的一根磁针放置在一个旋转的轴上，并且把它密封在一个盒子中而制成罗盘。中国人被认为是第一个制成指南针的人，并且把它传给阿拉伯人，再由阿拉伯人传到欧洲人手中。但无论如何，在12世纪时，罗盘在欧洲已经开始使用。而且在1269年，由一位以拉丁文名字闻名的法国学者佩雷格里诺斯作了详细的描述。佩雷格里诺斯称磁铁指北的那一端为北极（或N极），另一端为南极（或S极）。
人们自然会问为什么磁针会指向北方呢？由于磁铁会吸引其他的磁铁，因此有人认为有一座巨大的磁山位于磁针所遥指的北方（在《天方夜谭》水手辛巴达的故事里讲的大概就是这样一座山）。有些人甚至更浪漫地赋予磁石以灵魂及生命。
对磁铁的科学研究开始于吉伯，他是伊丽莎白一世的宫廷医生，也正是他发现地球本身就是一个巨大的磁铁。他安装了一根经过磁化的针，使它能在垂直的方向上转动。这就是所谓的磁倾仪。这种磁针在北极一端倾向地面，产生一个倾角——磁倾角。当他使用一个球形的天然磁石作为地球的模型时，吉伯发现当磁针放在他的模型地球的北半球之上时，磁针的倾斜表现与前面所述完全相同。1600年，吉伯出版了一本名为《磁铁》的经典著作，公布了这一发现。
