从对流层顶到12公里高度
为了找到中层大气的边界，让我们穿越大气，作一次旅行。我们把简图1作为这次旅程的地图。
先看表示大气密度的曲线、密度和气压随高度增高而不断降低，高度越高，空气越稀，100公里高度处的气压值只有地球表面气压的百万分之一。
大气中密度随高度的变化多少还算平稳，但是温度的变化却复杂得多，温度（T）（图1）随高度变化，降低和增高交替地进行。所以对大气圈最通常的分层是按温度随高度变化的类型作为依据。
我们从地表起飞（图1），这里温度大约为300oK（假定我们现在正是夏季），气压是一个大气压。我们向上移动，就感到愈来愈冷，空气越来越稀。温度、气压、密度都随高度的增高而减小。不过只要我们不离开大气的最低层——对流层，温度是一直在下降的。在12 ~ 15公里高度处（这一地区称对流层顶），温度到达一个极小值，再往上，温度开始增高了，一直维持到达45公里左右的高度，这就是平流层顶——平流层上边界和中层的下边界所在的地方。中层内温度随高度又降低，到达中层顶约82公里高度处，温度又达到一个极小值约180°K。再往上是热层，温度又开始回升，从180 ~ 200公里高度起一直到大气和外层空间之间的边界，温度维持常定。
臭氧（O3）是大气组成中一种非常重要成分，臭氧层的浓度大约在20 ~ 25公里处达到极大值。尽管臭氧并不是大气中最基本的成分，但它所起的作用却极端重要，因为它吸收了太阳紫外线，使地球上的生命免于其难。
电离层是这个行星的“魔镜”，它反射无线电短波（SW）和中波（MW），这才使远程无线电通讯成为可能，电离层绝大部分位于中层大气外250 ~ 300公里的高度，但它的低层（D层）却位于50 ~ 90公里高度，即在中层内部。
在80 ~ 85公里高度，那里出现了夜光云，也只有在这个高度才有这特殊的现象。在夜幕降临之前，有一定的光照情况下，从地球表面看去，犹如银色的光带。
中层大气的下边界、定义清楚，并且它与对流层顶重合，它的上边界定义就不够清楚了，通常假定它在120公里高度处。位于这一高度又叫湍流层顶。它把下面大气的混合层与按气体分子量大小进行高度分布的上层分开来。
大气中的“无人区”
就科学而言，中层在历史上一直是个“无人区”。气象学家对对流层一个多世纪以来已作了深入的研究。然而，直到最近以前，就是对平流层低层或对流层顶上面这一地区也难得进行过研究。他们的“要素”是近地表大气层中的云，气旋和反气旋。
100公里以上的大气，包括热层，外逸层（大气的最外层）和电离层（质点带电）的大部分，人们含含糊糊地把它叫作高层大气——这个术语广为流行。自50年代后期起，科学家有了地球物理火箭和卫星。才开始了对高层大气进行了深入的研究，并且这种热潮经久不衰。从事高层大气的地球物理学家已和感兴趣于太阳辐射对地球大气影响的天体物理学家，想了解电离层在发生着什么的等离子体物理学家以及其他一些科学家联合了起来，共同来研究这个课题。
其实，直到最近才有可能对中层大气研究的实践意义和科学意义作出估价。
不过，过去十年已经有人知道在大气中层可以找到解决许多重大问题的答案。这一发现，就给予制订国际性协作研究中层大气计划一个新的而且是巨大的动力。
臭氧层仍处于危险状态吗？
大约十年以前，科学界被臭氧层会很快地消失的报告弄得大为惊恐。根据报告，臭氧层消失的威胁来自平流层超音逨喷气飞机，全世界使用氮肥、汽车的排气以及高空核武器试验。有些预报员预报，在本世纪末以前，臭氧层的浓度会有大幅度的减低。
与此同时，人们对中层大气的兴趣也第一次有了明显的增加。当人类活动的产物进入到臭氧层，作为臭氧分解反应的催化剂时，臭氧开始消耗了，这些产物中最典型的有氮的氧化物，NO、NO2和？N2O，图2是表示这些反应的一张简图。消耗掉一个NO分子，同时也形成一个NO分子。NO2的反应也一样。尽管这些分子在数量上并没有减少，但结果是清楚的。二个O2分子的形成是由于一个O2分子和一个原子氧O置换的结果。这表明平流层NO和NO2浓度越大，那么臭氧的浓度就会越小。
使事情糟糕的不仅如此，能促进臭氧破坏的不仅仅是氮的氧化物，还有氢的氧化物和含氯的化合物（ClOx），它们都遵循着同一反应形式。结果不可避免地导致臭氧的消耗。
由于工业活动，一定数量的氧化物（NOx，HOx和ClOx）就进入了臭氧层，这些氧化物的数量可以逐日进行估计，并且可以进行未来几十年的初步预报，但是否能说平流层中NO浓度不同将导致臭氧层的严重破坏呢？为了回答这个问题，我们必须知道在通常情况下，臭氧层会发生什么变化，通过自然机制积聚了多少NO，臭氧破坏和形成的所有反应的完全循环是什么。但是令人惊恐的关于臭氧层将会消失的报告显然没有准确地回答上述这些问题。因为前几十年人们对中层大气的研究还未深入，对NO基本数量的认识以及化学反应的详细情况都还是一无所知，毫无疑问，对这一问题作过高的估计在所难免。
随后几年对有关现象进行了深入的研究，得出臭氧层损耗的可能性不像早期认为的那样严然而尽管没有立即构成危害，但威胁仍然存在，按照现在的估计，如果流入到大气中氯基化合物继续维持在1977年水平，那么O3的平衡浓度在今盾几年中平均减少15%。不过按照令人震惊的臭氧消失的报告中所作出的估计，只要臭氧浓度稍加减少，对地球上的生命就潜伏着巨大危机。
由于破坏臭氧的化合物源仍然存在，迟早会给人类带来巨大灾难。因此，我们必须尽一切努力来控制臭氧的浓度，经常检查平流层中各种化合物的浓度，尤其是NO的浓度。同时必须详细研究O3形成和破坏的化学反应的产生以及循环。
值得注意的是臭氧层不仅吸收了紫外辐射从而保护了地球上的生命，而且还加热了周围大气，对大气的热平衡起了重大的作用。带电的高能粒子（质子和电子）进入大气，可以使高层大气臭氧浓度大大降低（图3），这使臭氧成为太阳活动和天气之间联系的重要一环。另一方面，人们发现环流的动力过程和垂直气流在臭氧层的特性上起着重要的作用。下沉气流，一般来说使臭氧层变厚，使臭氧数量增加，相反，上升气流使真氧层变薄，使臭氧数量减少。这表明为了更好地认识臭氧浓度的变化，我们应该详细地了解平流层和中层的动力学特征，研究这些特征是中层大气研究计划的核心，因为动力过程事实上是影响若中层大气的每一件事情。
太阳和天气
太阳活动与天气之间的关系是各种开学刊物，科普读物和各种报刊经常报道的课题。
我们大家都想知道周末或即将到来的假日的天气情况，但常因预报了坏的天气而感到令人沮丧、责怪那晚夏和早秋的骄阳。其实，人们往往会身不由己地把所有气候的灾难都归咎于太阳的影响。因为太阳是地球唯一的能源，太阳辐射加热了地表和行星大气，它维持了电离层，引起了磁暴和北极光，蒸发水，形成云。太阳活动的变化是已被证实的一个科学事实。1979年和1980年世界许多地区，在一些季节天气发生异常，这与太阳活动最强烈的周期一致。那么它是否是下击暴流和热浪的原因呢？
气候与太阳的关系相当复杂，它涉及到许多方面。其中大多数本文不加讨论，我们感兴趣的是与中展大气直接有关的问题。
太阳从许多方面看是一个非常稳定的恒星，太阳常数随时间变化极小。在整个太阳活动周期中只有太阳光谱中的短波部分是始终在变化的。更确地说是紫外辐射及X射线部分。
这是问题的关键所在，紫外线和X射线一起只占太阳总辐射量中的极小部分，如果它们确实像它们看上去那样重要的话，那么自然会问，为什么这样小的变化对气候会是这么重要。另一方面，短波辐射所具有的能量只是低层大气气旋所具有能量的千分之一，X射线或紫外线的变化能影响气旋的类型吗？当然，我们也可以想象一台电唱机的发动机能起动一架起重机……。
最后，但并不是说就不重要。到达地面的或对流层上层的既不是紫外线，也不是X射线，这种辐射都被较高层次的大气吸收了。X射线在90 ~ 100公里高度就被吸收，紫外线在100公里以上的高度就吸收了部分，其余的就在平流层的臭氧层中消失了，没有进到对流层的辐射会影响对流层的气象现象吗？
上述问题能得到唯一解释的是存在着启动大气中主要过程的“触发”机制。发现这种机制在什么高度运转是有着重大的科学和实际意义的。
这里我们又谈到了中层大气。由于太阳辐射的变化部分大都被中层大气吸收，在中层找到了按照入射辐射量变化从而改变近地面层大气状态的过程。具有最大意义的是从中层大气到对流层的能量输送过程。
太阳与天气的相互关系是大气各层之间相互之间关系的一部分。在研究太阳活动对天气的影响上，我们感兴趣的是上层对下层的影响。不过低层气象过程对其上的中层和高层大气的影响并不是说不重要。
最近几年来，研究者们逐渐地了解到许多近地面层的现象会影响到高层大气的形势，业已确定近地面展气压和臭氧量之间，电离层（250 ~ 300公里高度）电子浓度减少与大多数气旋形成之间，高层大气要素的变化与地震、火山爆发以及民用工程大爆破之间的关系。
所有这些，无疑表明了下层对上层有一定程度的影响，有些情况，如电离层的F层，受影响相对较小，大气气象要素的变化不会大于10 ~ 20%。在另一些情况，如电离层的D层，气象现象的影响确实相当强烈，几乎完全决定了某一气象要素的特征。
人们决心努力弄清大气各层之间的相互作用这还是第一次，而且是最近的事。但是人们业已知道各种波动在各层之间的能量输送中起着重要的作用。它们之中有重力内波，周期在几分钟到几小时。行星波，周期几天或更长。上述所有现象，如对流层中的气旋，爆破等产生的重力内波，到达中层大气的上边界，可能在湍流顶附近耗散了，把能量传递给那里的大气，使大气受热，抬高湍流层顶，或改变大气的成分。这种作用在原理上可以作为对流层的扰动向高层大气输送的机制。但是重力内波在上传过程中必须通过整个中层大气。温度梯度，不均一性，平流层和中层动力过程对通过的波动有一定的影响。结果，对流层产生的这些波动最后对高层大气和电离层所造成的影响在很大程度上取决于中层大气。
同样，行星波对大气中各层联结的机制也提供了一种可能的解释。已经发现这些波动通过平流层上传取决于平流层高度纬向风的速度和方向，只有在西风速度较小时，行星波较容易通过平流层上传。如果是风速较大的西风或东风，行星波在平流层高度就会碰到障碍，它们携带的能量要消耗在对流层或平流层低层障碍高度之下。这就导致了相应的温度增加，特别是平流层增温。显然，行星波的这种性质打开了通向平流层中被吸收的太阳短波辐射的大门。因此决定了它的热平衡和环流，并且影响了对流层的状态。
总上所述，我们必须注意到中层大气在大气各层之间的联系中所起的重要作用。如果这些联系得到了详细研究，太阳对天气的影响就被确定。中层大气动力过程和它的性质的研究是必不可少的。
D层
D层的电子浓度并不高，白天每立方厘米可达100-1000个，夜里少些。与电离层的E层或300公里高度处的F层相比，这样的电子浓度就非常小了。那么D层对无线电传播为什么有如此重要的作用呢？关键的因子是不带电的气体密度，它随高度稳定地减低，在300公里高度处的密度是低层70公里处的百万分之一。在F层电子与不带电粒子碰撞的频率是D层中电子与粒子碰撞频率的百万分之一。确切地说，电磁波的吸收取决于电子浓度以及电子与不带电粒子之间的碰撞频率，尽管D层电子浓度相对较低，但电子与不带电粒子之间的碰撞频率较高，这就自然地解释了D层对电磁波传播的重要性。
D层的电子浓度对于短波和中波的反射来说，还不够浓，然而却能反射用于通讯和导航的Lw和SLW波段的无线电波。
对D层的研究历史较长，早就了解D层的特性在总体上不同于电离层其余部分，后者是太阳的产物，它对太阳与磁场的变化极为敏感，如果总体上磁场稳定，那么E层上部大部分电离层也平静，并且可以预报它的日变化，季节变化以及其他一些有规则的变化。
可是D层的特性十分不同，在这里电子浓度除了有规则的变化之外，还叠加了电子浓度急剧而常常是猛烈的增加（几十倍）。而这种增加在太阳和磁场上没有明显的反应。这使许多科学家联想到D层可能受平流层和中层气象形势（温度、湿度和风）的控制。这种气象联系在D层中电子浓度的季节变化上表现得尤为明显。
上述问题的重要性和复杂性是显而易见的。如果D层对无线电传播起着这样大的作用，那么简单地说，我们必须学会正确地预报它的特性。但是，主要的困难是先得找出D层变化更多的物理原因以及它与太阳和磁层要素变化之间的关系。否则，我们就毫无办法。
这就是D层问题和极端复杂的中层大气一般问题相一致的地方。因为电离层低层的特性是与中层，平流层和热层低层的各种气象现象密切相关的。
例如，平流层增暖，空气温度上升，在70 ~ 80公里高度处的电子浓度就会突然增加，但这与太阳或电磁场活动没有明显的联系。如果100公里高度处扰动增加或中层大气风向取南北分量，其发生的情况也相同。不过如果中层水汽的密度增加，电子浓度却可能减小，而中层夜光云出现的可能性却增加。
结论相当明显，为了理_，描述以及学会预报D层在发生着什么，那么我们必须详细地研究中层大气的结构，动力学和化学。确切地说，这就是中层大气探测国际计划期望达到的目标。
[Science in USSR，1984年1期]