【我们的天空】是什么构成的？
我们的天空，并非空无一物，而是由多种物质和能量构成的动态系统。最主要的组成部分是我们赖以生存的空气，它是一种混合气体。
空气的主要成分
- 氮气 (Nitrogen)：约占空气体积的78%，是空气中最主要的成分。
- 氧气 (Oxygen)：约占空气体积的21%，是生命活动必需的气体。
- 氩气 (Argon)：约占空气体积的0.9%，是一种惰性气体。
- 二氧化碳 (Carbon Dioxide)：约占空气体积的0.04%，是植物光合作用必需的气体，也是重要的温室气体。
- 还有少量其他气体，如氖、氦、氪、氙、氢、甲烷、一氧化二氮、臭氧等。
除了气体，天空中还悬浮着大量的气溶胶粒子，它们是固体或液体微粒，例如：
- 水滴和冰晶（构成云和雾）
- 灰尘和沙粒
- 烟和煤灰
- 海盐结晶
- 花粉和孢子
- 火山灰
这些微粒虽然体积微小，但对天空的颜色、能见度以及云的形成有着重要影响。
【我们的天空】为什么会呈现不同的颜色和现象？
天空的颜色和我们在其中观察到的各种现象，主要是太阳光与大气层中的气体分子和悬浮微粒相互作用的结果。
为什么白天的天空是蓝色的？
这主要归因于一种叫做瑞利散射 (Rayleigh scattering)的现象。太阳光包含各种波长的可见光（从红到紫）。当阳光穿过大气层时，会与空气中的气体分子（主要是氮气和氧气）发生散射。短波长的光（如蓝光和紫光）比长波长的光（如红光和橙光）更容易被这些小分子散射开来。虽然紫光的波长最短，但我们的眼睛对蓝光更敏感，而且阳光中蓝光的成分也更多一些，因此，我们看到的来自天空各个方向的散射光就呈现出蓝色。
为什么日出和日落时天空会呈现红色或橙色？
在日出和日落时，阳光需要穿过比平时更厚的大气层才能到达我们眼中。在这个过程中，短波长的蓝光和绿光在穿过漫长的大气路径时被散射掉了更多，只剩下散射较少的长波长的红光和橙光，这些光直接进入或经过少量散射后进入我们的眼睛，所以天空和云朵会被染成红色、橙色甚至紫色。大气中的气溶胶粒子越多（例如污染或尘埃），散射作用越复杂，颜色可能越丰富。
为什么云朵会漂浮在空中？
云是由无数微小的水滴或冰晶组成的。虽然单个水滴或冰晶比空气重，但它们非常微小（直径通常只有几微米到几十微米），下落速度极慢。同时，大气中存在垂直方向的空气运动，尤其是上升气流。当这些微小的水滴或冰晶的下落速度小于或等于上升气流的速度时，它们就能悬浮在空中，形成我们看到的云。不同类型的云出现在不同的高度，也与当地的气流条件有关。
为什么星星看起来会闪烁？
恒星自身是稳定发光的，但它们距离我们极其遥远，在天空中看起来只是一个点状光源。当星光穿过地球大气层时，会受到大气温度、密度和湿度不均匀造成的扰动影响。这些扰动导致大气对光的折射率不断变化，使得星光到达我们眼睛的方向和亮度在极短的时间内发生微小的、随机的变化，我们的大脑就将这种变化感知为“闪烁”。而行星因为距离较近，看起来像一个微小的盘面，来自盘面上不同点的光线经过大气扰动后相互叠加，平均效应使得行星光芒看起来相对稳定，通常不闪烁。
【我们的天空】延伸到哪里？
我们通常所说的“天空”实际上是地球大气层的可见部分。大气层并没有一个明确的硬性边界，而是随着高度的增加变得越来越稀薄，最终逐渐过渡到外太空。
大气层的分层结构
根据温度、密度和其他特征，大气层通常被划分为几个主要层次：
- 对流层 (Troposphere)：从地面延伸到约7-15公里高度（极地较低，赤道较高）。这是我们最熟悉的一层，几乎所有的天气现象（云、雨、雪、风）都发生在这里。温度随高度增加而降低。
- 平流层 (Stratosphere)：从对流层顶延伸到约50公里高度。这一层气流相对稳定，是喷气式飞机的主要飞行高度。臭氧层大部分位于平流层中上部，它吸收了大部分有害的紫外线。温度随高度增加而升高。
- 中间层 (Mesosphere)：从平流层顶延伸到约85公里高度。这是大气层中最冷的一层，温度可降至零下90摄氏度。流星体大多在这一层燃烧。
- 热层 (Thermosphere)：从中间层顶延伸到约600公里或更高。在这一层，稀薄气体中的原子和分子吸收高能太阳辐射，温度可以非常高（几百到上千摄氏度），但由于气体密度极低，感受不到热量。国际空间站运行在这一层。极光也主要发生在热层底部和中间层顶部。
- 外逸层 (Exosphere)：热层之上，大气层最外层，气体极其稀薄，分子不断逃逸到外太空。没有明确的上限，可延伸到约10000公里。
通常认为，在对流层和低平流层的高度，是我们日常活动和天气变化所涉及的“我们的天空”的主要范围。
不同云层的高度
云的形成高度与大气层结构密切相关：
- 低云 (Low Clouds)：主要在对流层底部，距地面低于2公里，如层云、层积云、积云、积雨云底部。
- 中云 (Middle Clouds)：主要在对流层中部，距地面约2-7公里，如高层云、高积云。
- 高云 (High Clouds)：主要在对流层顶部和平流层底部，距地面约5-13公里，由冰晶组成，如卷云、卷积云、卷层云。
【我们的天空】有多少？如何衡量？
“有多少”天空是一个难以量化的概念，但我们可以从不同维度来理解它：
天空的高度有多少？
如前所述，主要的可见天气现象发生在大约10-15公里以下的对流层。人类飞行活动（如客机）通常在约10-12公里高的对流层顶部或平流层底部。更高的平流层、中间层和热层虽然也是大气层的一部分，但通常不被日常视为“天空”的一部分，除非是观察到极光或流星。从这个意义上说，日常可见的天空主要集中在地面以上10-15公里的高度范围内。
人眼在夜空下能看到多少星星？
在远离城市光污染、天气晴朗且无月光的理想条件下，一个视力良好的人用肉眼大约可以看到2000到3000颗恒星。如果将整个天球计算在内（包括地平线以下的），理论上约有5000-6000颗肉眼可见的恒星。然而，由于地平线、大气消光和光污染等因素，实际能看到的数量要少得多。
有多少种云？
根据国际通用的云分类系统，云主要被分为10个“属”（genera），例如积云、层云、卷云、雨层云、积雨云等。每个属还可以进一步细分为不同的“种”（species）和“变种”（varieties），例如浓积云、淡积云、碎层云、透光高积云等，总共有几十种更细致的分类。
如何测量天空中的现象？
我们有多种方法来测量和监测天空中的各种物理量和现象：
- 地面气象站：测量温度、湿度、气压、风速风向、降水量、能见度、云量和云状等。
- 探空气球 (Weather Balloons)：携带无线电探空仪升入高空，测量不同高度的温度、湿度、气压和风场信息。
- 气象雷达 (Weather Radar)：通过发射和接收微波信号来探测降水（雨、雪、冰雹）的位置、强度和移动速度。多普勒雷达还能测量风速。
- 气象卫星 (Weather Satellites)：从太空观测地球大气层，获取云的图像、温度、湿度、大气成分、风场、海表面温度等大范围信息。有地球同步卫星和极轨卫星。
- 激光雷达 (Lidar)：通过发射激光脉冲来探测大气中的气溶胶、云、水汽和温度廓线。
- 辐射探空仪 (Radiometers)：测量大气和地表的电磁辐射，用于推断温度、水汽含量等。
- 风速计 (Anemometer)：测量地面或塔台上的风速。
- 能见度仪 (Visibility Sensor)：测量空气的透明度。
【我们的天空】如何被影响？如何保护？
我们的天空并非一成不变，它受到自然因素和人类活动的影响，而保护天空环境也变得日益重要。
人类活动如何影响天空？
人类活动对天空环境的影响主要体现在空气污染上：
- 排放污染物：工业生产、交通运输、燃煤发电、农业活动等产生大量的颗粒物（PM2.5, PM10）、硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机物等。这些污染物会增加大气中的气溶胶，导致能见度下降（雾霾），改变云的形成和性质，甚至影响降水。
- 温室气体排放：二氧化碳、甲烷等温室气体的增加导致全球气候变暖，进而影响大气的温度分布、环流模式，可能改变天气事件的频率和强度。
- 消耗臭氧层物质：虽然已得到控制，但过去使用的氟氯碳化物（CFCs）等物质破坏了平流层的臭氧层，增加了地面接收到的紫外线辐射。
- 光污染：城市和建筑的过度照明使得夜空变亮，严重影响天体观测，改变昼夜节律，也浪费能源。
这些影响不仅改变了天空的物理和化学性质，也对生态系统和人类健康产生了负面效应。
如何保护我们的天空？
保护天空环境需要个人、集体和政府的共同努力：
- 控制空气污染物排放：推广清洁能源（风能、太阳能）、提高能源效率、使用环保交通工具、改进工业生产工艺、控制农业面源污染等。
- 减少温室气体排放：践行低碳生活方式，减少能源消耗，支持可再生能源发展，进行碳捕捉和储存研究。
- 防治光污染：合理设计城市照明，减少不必要的夜间照明，使用向下照射的灯具，选择适当亮度和色温的光源。在天文保护区采取更严格的措施。
- 监测和研究：加强对大气成分、污染物分布、天气变化和气候趋势的监测和科学研究，为制定保护政策提供依据。
- 提高公众意识：普及天空环境知识，让更多人了解保护天空的重要性，鼓励参与环保行动。
我们的天空，是一个充满细节和奥秘的巨大实验室。从肉眼可见的云彩和星光，到微观的气体分子和气溶胶，再到不同高度的大气层结构和全球性的气候变化，每一部分都相互关联，共同构成了我们头顶上那个多姿多彩、瞬息万变的世界。理解它的构成、现象和变化，以及人类对其造成的影响，是我们更好地生活在地球上、并为其未来负责的基础。
