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大氣層（英語：atmosphere）亦稱天體大氣層或簡稱大氣，是指受到重力影響聚攏在天體外表周圍的氣體混合體[1]，如果天體自身質量夠大且氣溫夠低，就能長期留住這些氣體不會流失到外太空。許多氣態巨行星的大氣成分都與太陽星雲相似（多為氫氣、氦氣和簡單氫化物如甲烷、水蒸氣和氨氣），而類地行星和冰巨行星則會因為大氣逃逸、地質釋氣、撞擊事件和凝結作用而產生不同成分。許多行星會因大氣層局部溫度高低產生的氣壓差而出現各種風暴和高速氣流，且都會因為散射不同光譜而展現出不同的顏色。
 | 此條目需要補充更多來源。 (2024年7月1日) |
宇宙中最被人類熟知的是地球大氣層（因此口語中時常用「大氣層」做為同義詞），其成分主要是單質的氮和氧（兩者共占摩爾濃度近99%），其中活性較強的氧氣（O2）不僅是絕大多數複雜生物新陳代謝所必需的化學物質，其同素異構體——臭氧（O3）還可以形成保護地表生物圈的遺傳物質和有機物免受太陽紫外線電離輻射傷害的臭氧層。現今較為富氧（濃度約20.8%）的地球大氣是古大氣層經過各種擁有葉綠素的光合自營生物（藍綠菌、質體藻類和植物）數十億年來不斷進行產氧光合作用的結果。
恆星大氣層指的是恆星外圍的區域，典型的範圍是從不透明的光球開始向外的部份。相對來說是低溫的恆星，在它們外面的大氣層也許可以形成複合的分子。
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氣壓是單位面積上受到周圍氣體垂直加諸於其上的力量，他取決於行星的重力和在地區上組合的空氣柱的總質量。根據國際認可的標準大氣壓（atm）氣壓單位定義是101,325 帕（或是每平方公分1,013,250達因）。
大氣壓力因為在一個地點之上的氣體質量會隨着高度減少而降低，氣壓隨高度下降的系數為數學上的e （無理數，其近似值為2.71828），稱為高度標度，並以H來表示。對一個溫度均勻一致的大氣層，高度標度與溫度成正比，並且與行星的重力加速度乘上乾燥空氣的分子質量成反比。像這種模式的大氣層，隨着高度的增加，壓力成指數的下降。但是，大氣層的溫度是不均勻的，所以要精確的測量某一特定高度的壓力是很複雜的。
表面重力，維繫大氣層的力量，在行星中是極不相同的。例如，巨大的行星木星有着非常大的重力，能夠保留住在較低的重力下會逃逸的氫和氦這種輕的氣體。其次，與太陽的距離確定可以用來加熱大氣的能量，能否加熱氣體使分子的熱運動超出行星的逃逸速度—氣體分子克服行星重力掌握所需的速度。因此，遙遠和寒冷的泰坦和冥王星儘管重力相對較低，但仍能保有它們的大氣層。理論上，星際行星也許也能保有厚實的大氣層。
因為氣體在任何的特定溫度下都有大範圍的分子移動速度，所以總是會有一些氣體緩慢的滲漏至太空中。具有相同動能的氣體，輕的氣體運動的速度比重的氣體快，因此分子量較低的氣體流失的比那些分子量較重的氣體更快。這被認為是金星和火星會失去它們的水的原因，因為當它們的水受到來自太陽的紫外線光解成為氫和氧之後，氫會逃逸而去。地球的磁場協助阻擋了會使氫加速逃逸的太陽風，然而，在過去的30億年，地球也許經由在極區的極光活動，損失了包括氧氣在內的2%大氣層[2]。
最初的大氣結構一般認為與在行星形成所在地點的太陽星雲有着一樣的化學成分和溫度，而內部的氣體隨後逃逸。這些原始的大氣層隨着時間的過去而逐漸的演變，因行星各自不同的特性造成非常不同的結果。
金星和火星的行星大氣主要的組成是二氧化碳，還有少量的氮、氬、氧和可追蹤的其他氣體。
地球的大氣層主要由生活在其中生物產生的副產品來改造。地球大氣層包含大約（以摩爾容量/體積計算）78.08%的氮和20.95%的氧，數量易變（平均為0.247%，全球大氣研究中心）的水蒸氣、0.93%的氬、0.038%的二氧化碳，和微蹤的氫、氦以及其他的"惰性氣體"（揮發氣體的污染）。
低溫和重力較強大的氣體巨星—木星、土星、天王星、和海王星—能夠輕易的保留住低分子量的氣體。這些行星有以氫-氦和微蹤的更複雜化合物構成的大氣層。
有兩顆外層行星的衛星有着不能忽視的大氣層：土星的衛星泰坦和海王星的衛星崔頓，主要成分為氮。冥王星，在軌道的近日點附近，有着與崔頓相似，由氮和甲烷組成的大氣層，但在遠離太陽時氣體的大氣層會凍結。
太陽系內還有其他的天體有極端稀薄且不穩定的大氣層，這些包括月球（鈉氣）、水星（鈉氣）、木衛二（氧氣）、木衛一（硫）和土衛二（水蒸氣）。
行星HD 209458b是第一顆被哈伯太空望遠鏡測量出大氣層結構的系外行星。HD 209458是位於飛馬座的一顆恆星，HD 209458b是軌道靠近母恆星的氣體巨星，因此大氣層被加熱至超過1,000 K，並且穩定的逃逸入太空。氫、氧、碳和硫都在行星膨脹的大氣中被偵測出來[3]。
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地球的大氣層從地面往上包括對流層（包括行星的邊界層或最底層的大氣）、同溫層、中氣層（散逸層）、增溫層（熱成層，包含電離層和外逸層），還有磁層。每一層有不同的氣溫，定義出溫度隨着高度的變化率。
3/4的大氣層在對流層內，並且這一層的厚度有很大的變化，在赤道的厚度達到17公里，在極區的厚度僅有7公里。臭氧層，吸收來自太陽紫外線的能量，主要位於同溫層，高度在15至35公里。卡門線的位置在增溫層內，高度100公里處，通常被作為地球大氣層和太空的分界線。但是外逸層的高度可以從距離地表500公里延伸至1,000公里，並在該處與行星的磁層互動。
其他已知有大氣層的天體列於下表。
當對流成為比熱輻射更有效率的運輸者時，由於溫度的差異造成了大氣的循環。在行星的主要熱源是來自太陽的輻射，在熱帶多餘的熱會輸送到更高的緯度。當行星的內部能產生相當數目的熱量時，例如木星的狀況，對流能經由大氣層將能量由內部區域的高溫傳送至表面。
經由地質學家對行星的透視，大氣層是對行星演化形態學的行為實質上的代理者。風運輸塵土、侵蝕地表和帶離淤積和其他的微粒（風成程序）。霜和降雨，取決於它們的成分，也影響到地表。氣候變化可能影響到行星的地質歷史，反過來，研究地球表面也可以對行星的大氣和氣候的現狀和過去有所了解。
對生物學家，構造是和生命的出現與演變密不可分的。
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