目前，气象学家还不了解联系“厄尔尼诺”与“拉尼娜”之间的循环机制。一旦这个谜被解开，就能使长期天气预报的准确性大大提高。
你知道地球上哪里最热，哪里最冷吗？
有了温度表，人们才知道地球上哪里最热，哪里最冷。从年平均最高温度来看，地球上最热的地方在北纬10度，这个纬度圈被称为“热赤道”。这是因为北半球陆地比南半球多，而陆地在低纬度较海洋暖。
气温的高低受地理纬度、陆地的多少、气流的来源、海流和海拔高度的影响，所以，地球上7月份最高温度是在北纬15°~40°的沙漠地带，该处7月份平均气温达35℃，世界上最大的沙漠撒哈拉沙漠中有的地方能达到36℃。在北非利比亚的阿济席亚曾观测到58.5℃的世界气温最高纪录，被称为世界的“热极”。中国最热的地方是吐鲁番盆地。神话小说《西游记》里所描述的火焰山，就坐落在这里。由于地形闭塞，高度在海平面以下，最高气温达到47.8℃。这里所说的空气温度，都是指距地面1.5~2米高的百叶箱中的温度。暴露在阳光下的干燥沙土上的温度要高得多。在热带环境下，土壤表面的温度可以达到80℃。
地球上最寒冷的大陆是南极大陆。前苏联在南纬78°、东经96°的“不可接近站”测得当地年平均气温为—57.8℃，是世界的“冷极”。前苏联的“东方站”曾测得—88.3℃的极端最低气温记录。6年后，挪威科学家又在极点附近测得—94.5℃的低温。
对于人体来说，最舒适的温度为17℃~20℃。酷热和酷冷都会给人体健康带来极为不利的影响。
“真空”是怎么被发现的？
在人类技术史上，水压机是一种最古老的汲水装置。它被广泛用于提取井水和河水。随着欧洲工业的萌发，采矿业有了很大发展，它又被用来汲取矿井中的积水。但人们发现，水压机的汲水高度始终不能超过10米。于是，人们绞尽脑汁不断对水压机进行改进。然而，办法想尽了，汲水高度仍超不过10米。原因何在？这个难题让科学家们足足冥思苦想了近2000年。
古希腊哲学家、逻辑学家和科学家亚里士多德，曾任亚历山大大帝年轻时的家庭教师。他在哲学、宇宙学、生物学、胚胎学、逻辑学等许多方面所发表的科学论文，对这些学科都起到开拓的作用。这也使他成为当时公认的学术权威。他认为“空气没有质量”，“大自然厌恶真空”。按照他的这个说法来推理，水压机应该能够把低处的水引向任意高度。
1592年，意大利物理学家伽利略经过苦心研究，认为空气应该有质量。他提出：如果用水压机去汲取比水密度大的液体，汲取的高度会更小。当他准备用实验的方法证实这一想法时，却不幸因病去世。
1643年，伽利略的学生托里拆利和维瓦尼，按照伽利略的思路在实验室内做了一个试验：他们在一根1米长、一头封闭的玻璃管内灌满水银，用塞子堵住开口的一端，把管子开口端向下倒立，放在盛有水银的杯子中，然后拔开塞子，让水银流入杯子里边。这时，奇怪的现象出现了：当管子里面的水银降低到比杯子中的水银面高出76厘米时，管子中的水银停止流出，并一直维持在这个高度上不变。即使把玻璃管倾斜，使水银柱长度增加，但管内外水银面相差的垂直高度仍然是76厘米。在玻璃管封闭端留下的24厘米高度的空间又是什么呢？经过鉴定，原来那里面除极少的一点水银蒸气外，什么也没有。这是世界上第一个人造真空，被称为“托里拆利真空”。
那么，到底是什么原因使水银柱能够一直保持在这个高度呢？为回答这个问题，维瓦尼进行了大量的研究工作。他认为：这是因为大气的质量向下压在杯中的水银面上的缘故。进一步研究证明，这个76厘米高的水银柱以及10米高水柱的质量，就等于截面积与之相同、高度为从海平面到大气层顶部这样一个空气柱的质量。水压机之谜终于被揭开了。维瓦尼用实验证明了“空气有质量”，从而彻底推翻了统治欧洲哲学界近2000年的“空气没有质量”的传统观念。
“真空”一经制造出来，很快就应用于各个科学领域。1650年，德国学者克查用实验证明“声音不能在真空中传播”；10年后，物理学家波义耳证明“真空中不同的物体自由下落的速度是一样的”。
1660年，德国人葛利克经过长期观察发现：水银柱的高度是有变化的，每当风暴来临之前，水银柱的高度总会降低一些；而当水银柱升高一些时，天气又会变好。
给“托里拆利装置”配上—把标尺，这就是世界上第一支水银气压表。现在气象站所使用的水银气压表与托里拆利装置在本质上没有任何区别。有了气压表，人们才发现大气中有高气压区、低气压区存在，才有了能预报未来天气的“天气图”。
空气到底有没有质量？
空气有没有质量？这个问题曾经是17世纪德国科学家们争论的中心。当时，酷爱科学的马德堡市市长葛利克决心用试验来证明空气是有质量的。最初，他从一个密封的木桶内抽出空气，结果木桶被外面的空气压碎了。接着，他又用铜片做了一个球，在抽出里面空气的过程中，这个球也经受不住大气的压力，被挤扁了。最后，他让工匠制作了两个坚固的铜半球，直径约几十厘米，合在一起是个空心铜球。当球内空气被抽出以后，铜球外部受到巨大的空气压力，使两个半球牢牢地结合在一起，用手去掰是绝对掰不开的。为了试试铜球究竟承受多大的压力，葛利克用结实的锁链系在两个半球上，然后用马来对拉。用了16匹马，才终于把两个铜半球拉开。在铜半球被拉开的一刹那，还发出巨大的声响，就像放炮一样。
1654年5月8日，市长葛利克在德国马德堡市的广场上，成功地表演了这个节目。到现场观看的德国皇帝、王公贵族和市民们，无不万分惊讶，不得不相信正是因为空气有质量，才会有大气压力存在这样一个事实。这就是著名的“马德堡半球试验”。这项试验，使人类开始认识到大气压力的威力。
地球大气有多重？
“托里拆利真空”和“马德堡半球试验”，使人们不再怀疑地球大气有质量。在此之后，有人又提出这样一个问题：包围在地球周围的大气究竟有多重？
地球的表面积为5.1亿平方千米，大气层的上界在3000千米左右。对于这个看不见、摸不着的庞然大物，怎样称它的重量呢？这真是个有趣的想象。面对这个难题使人们想起了三国时期“曹冲称象”的故事。
7岁的曹冲，让大象站在船上，看船身下降多少。然后，沿着水面在船舷上做一个记号，再把大象拉到岸上。接着往船上装石头，等船下沉到有记号的地方，再把石头一块块搬到岸上，称一下船上石头的重量，就知道大象有多重了。
曹冲分割求重，再求出总和的办法，对我们怎样求出地球大气层总重量很有启发。首先，假设大气是静止的，然后把大气分割成无数个垂直于地面的空气柱，每个空气柱的底面积为1平方厘米。这个空气柱是一条又细又长，从地面一直延伸至大气上界的立方体。在海拔高度为零米，也就是海平面高度上，安放一支水银气压表。这时，气压表中的水银柱高度为76厘米，这个水银柱质量就等于1平方厘米上所承受的大气柱的重量，叫做一个大气压，约为1.0133千克/平方厘米。地球表面积为5.1亿平方千米，把它换算成平方厘米，再乘上1.0133千克/平方厘米，得出大气层的总重量约为5300万亿吨，这就是整个大气层的总重量。无边无际、看不见、摸不着的大气层就被这样简便地算了出来。如果要用同样重量的铁来代替大气，那么，地球表面就要披上一层1.3米厚的铁铠甲了。谁能想到，无形无味、无色透明，近于虚无缥缈的大气，它的总重量竟大得如此惊人！
为什么赤道上空是“头重脚轻”的呢？
包围地球的大气其厚度在3000千米以上，要了解未来天气、气候的变化，仅仅有地面观测资料是不够的，还必须有高空气象资料，才能对高层大气进行分析和研究。航空事业的发展更是迫切需要了解高空的气象状况，飞机的飞行高度至今还靠气压表来测量。
1749年，气象学家用风筝把温度表带上天空，最高能达到云层高度。这是最古老的、直接探测高空大气的尝试。1783年，法国人蒙哥菲尔兄弟发明了热空气球。载动物飞行试验成功后，气象学家杰佛里斯带着气压表、温度表、湿度表，乘坐热气球，第一次飞越英吉利海峡。这是人类第一次升空飞行，也是第一次对高空气象进行直接观测。1862—1866年间，英国气象学家格莱谢尔为获取高度更高的高空气象资料，不断提高热气球的飞行高度。当气球飞升到8839米的高度时，由于高空严重缺氧，他刚记下气压表上的读数就失去知觉。同气球的一位探险家也冻得四肢麻木，但他用牙齿拼命打开控制阀门，气球放气后开始缓缓下降，他们才得以生还。显然，这种靠冒生命危险来获取高空资料的做法是不可取的。随着电子技术的发展，人们在地面就能了解到高空气象状况的梦想终于实现。1927年，世界上第一部无线电探空仪飞向了天空。
如今在城市，每天早晨和傍晚，人们都能看到从气象台放出的乳白色氢气球。它随风飘向高空。气球下面挂着的那件东西，就是无线电探空仪。这个质量不到1千克的小巧玲珑的探空仪，能测量从地面到40千米高空的气象要素数值，同时把测得的结果用无线电讯号不断传递到地面接收站。
现在全球约有1000多个无线电探空站，形成一个高空观测网。这些观测站每天在统一的世界时间0时和12时定时观测两次；观测完毕后，立即把观测结果编成气象电码，发往气象中心。气象中心通过计算机把这些观测数据自动填写在高空天气图上并进行自动分析。气象工作者根据高空气象要素的变化，就可以对未来天气形势做出较为可靠的预报。科学研究、监测环境污染、飞机航线的安全保证和国防建设如导弹试验、炮兵射击等许多方面，都离不开高空气象资料。在国际上，各国之间还要及时地进行高空资料交换。
从无线电探空仪发射来的信号证实：空气温度是随高度增加而降低的，平均每上升100米，气温下降0.6℃。苏东坡有词道：“我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。”说明我国古人已经知道温度是随高度的升高而降低的。然而，进一步探测表明，到某一高度后，温度不再随高度改变而改变。再往上，温度反而增高，这个高度被称为对流层顶。从地面到对流层顶称对流层。这一层大气占整个地球大气质量的80%，大气中的水汽几乎全部都集中在这一层。云、雨、雪等天气现象也都发生在这一层中，因此，它与人类的关系最为密切。
为什么对流层内温度随高度增加而降低？这是因为对流层中的空气热量主要来自地面。太阳辐射的能量大部分被地面吸收，地面变成热源，并向大气辐射热量，使上空的空气变热。越靠近地面，空气越热；越远离地面，空气受热越少，因此对流层顶温度最低。对流层顶在低纬度热带地区高度为17~18千米，在中纬度地区高度为10~12千米，在寒冷的高纬度地区只有8~9千米。由于对流层顶的高度愈高，温度愈低，因而世界上最冷的空气反而出现在全球地面温度最高的地方—赤道上空。
对流层下面热，上面冷，“头重脚轻”，空气很不稳定，容易上下翻动，造成空气对流。对流的结果，使上、下层空气均匀混合，热量、水汽和尘埃微粒等得以往上输送，从而引起各种天气现象。
对流层以上是平流层。平流层的底部存在一个约有几千米厚、温度大致相同的区域。到20千米以上，温度随高度增加而升高；到50千米左右，气温上升至0℃，这里就是平流层顶。平流层的中、下部是臭氧层。臭氧能吸收太阳紫外线，使气温增高。所以平流层不像对流层，而是温度随高度增加而上升。这一层由于很少出现上升或下沉气流，水汽含量极少，不会出现云雨现象，所以总是晴空万里，很适合喷气式飞机飞行。
整个大气层按温度结构来划分，可分为5层：对流层、平流层、中间层、热层和外逸层。
大气王国知多少？
暴雨、台风、雷暴等强烈的对流天气出现时，常常给人们的生命财产带来巨大损失；二氧化碳的“温室效应”使地球变暖，海平面上升，导致气候异常。沙尘暴连年出现，使环境变得更加恶劣。因此，在人们心目中，暴雨、台风、雷电、寒潮等都是灾害性天气，二氧化碳气体变成有害气体，尘埃更是一无是处。怎样正确理解、认识自然界中的这些现象呢？为了把这些复杂的科学问题说明白，不妨讲几个科学童话。
清晨，东方刚露出鱼肚白，大气王国评奖大会主席氮气便早早来到会场。接着进入会场的是大气王国的元老氢、氦、氖、氨、氩、甲烷和水汽。紧随其后的是氧、二氧化碳、氪、一氧化二氮、一氧化碳以及氙气等。大气家族中，凡对地球生物有毒害的人造气体以及水汽家族中的酸雨等，都被拒之门外，一律不准进入会场。
此刻，作为大气王国歌舞团的总导演—太阳已经从东方地平线上走来。为了给大会增添喜庆色彩，他给小水滴、雪花和水汽披上了绚丽夺目的霞衣。一时间，彩云飞舞，金光万道，整个天空变得五彩缤纷；会场充满欢乐、喜庆的气氛。
大会开始，氮主席首先讲话：“各位嘉宾、各位代表，自从我们大气王国诞生以来，地球在我们精心呵护下，产生了生命，大气王国的成员也有所增加。经过45亿年的进化、演变，今天终于出现包括微生物、植物、动物和人类在内的整个生物界空前繁荣昌盛的局面。在这漫长的岁月里，各个家族都做出巨大努力，功不可没。我们这次大会，就是要把对地球生命贡献最大的气体家族评选出来，进行表彰奖励，目的是为了把我们的星球建设得更加美好。”氮气老成持重，在大气王国里，各个家族都把他视为智慧的化身。
体态轻盈的氢气首先发言：“我认为，氧气对地球生物的贡献最大，氧在我们大气王国里占20.94%，是仅次于氮气的第二大家族。氧和我与地球一起诞生，我们结合生出了水，这才使得整个地球逐渐变得生机盎然。可以说，没有氧气就没有地球生命。”
不习惯于在大庭广众讲话的氖气还没发言，小脸已涨得绯红。她鼓起勇气说：“燃烧也离不开氧气，氧是一种最重要的助燃剂。没有火哪有今天的人类文明！”
