大气层

大气层垂直分层
     大气层垂直分层
  大气层是指地球外面包围着的气体层。空气是地球自然物质组成中最轻的物质,它包围着固体地球,成为地球最外面的一个圈层,就是大气层,也称大气圈。大气层的成分主要有氮气、氧气、氩气和少量的二氧化碳、稀有气体和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小,越高空气越稀薄。整个大气层随高度不同表现出不同的特点,分为对流层平流层中间层、热层和外层等层次。大气层没有明显的上界,在赤道上方高42000千米和两极上方高28000千米的高空仍有大气存在的痕迹。 

大气层的形成及成分

  原始大气主要是二氧化碳一氧化碳甲烷等。地球在分异演化中,不断产生大量气体,经过“脱气”逃逸到地壳之外,也是大气的一个来源。绿色植物出现之后,在光合作用中吸收二氧化碳,放出游离氧,对原始大气缓慢地氧化,使一氧化碳变为二氧化碳,甲烷变为水汽和二氧化碳,氨变为水汽和氮。光合作用不断进行,氧气从二氧化碳中分异出来,最终形成以氮和氧为主要成分的现代大气。现在大气中氮占总体积的78.09%, 氧占20.95%,氩占0.93%,二氧化碳占0.03%,以及微量的氖、氦、氙、氪、臭氧、氡、氨、氢等。此外还有水汽和尘埃微粒等。  除了上述成分外,空气还含有一些不定成分,包括悬浮于大气中的固体杂质和气体污染物。  

大气层的垂直结构

大气层的垂直结构
    大气层的垂直结构
  大气圈是环绕地球最外层的气体圈层,它的密度随高度的增加而减小,越向上空气越稀薄,并逐渐转化为宇宙空间。大气上界的具体数字还难以确定,根据人造卫星所得的资料,在2000~3000千米的高空,还有稀薄的空气痕迹;在16000千米高空仍存在更稀薄的气体或基本粒子。大气圈的垂直结构如右图所示。  (1)外层(逃逸层)  热层以上的大气层统称外层。外层大气部分处于电离状态,质子的含量大大超过中性氢原子的含量。由于大气高度稀薄,同时地球引力场的束缚大大减弱,大气质点不断向星际空间逃逸。外层是大气的最外层,但其边界在哪里,尚不能定论,实际上外层是大气圈向星际空间的过渡。  (2) 热层(电离层)  热层大气温度随高度迅速增加,在700千米处,温度可达1500K。该层能量主要来自波长小于175nm的紫外光,以及太阳的微粒辐射及宇宙空间的高能粒子。本层下部的带电层反射无线电短波,并可使之围绕地球折射若干次。  (3) 中间层(中层)  中间层温度随高度而降低,到顶层温度降至190K左右。本层高度为80~85千米,大气在中层进行着强烈的化学反应。  (4) 平流层  平流层内空气表现为大尺度的平流运动。由于平流层中水汽含量很少,在对流层中经常出现的气象现象很少会发生,尘埃含量很少,大气透明度很高。平流层中臭氧集中,太阳辐射光中紫外部分(<290nm)几乎全部被吸收,因此温度较高。温度最初随高度缓慢递增,25千米以上,增温变快,到50千米处可达270~290K  (5) 对流层  对流层位于近地面,直接与水圈、岩石圈、生物圈接触,与人类活动最为密切。对流层中空气分布相当均匀,这是由于地面吸收了太阳辐射中的红外线、可见光部分及波长大于300nm的紫外线,并将这部分光转化为热能,使之内部发生强烈对流的缘故。对流层内温度随高度向上递减,降温率为6.5K/千米。对流层的高度分布不均匀,赤道地区有16~18千米,两极仅为8~12千米。  

大气层的温度划分

高清拍摄的大气层图片
   高清拍摄的大气层图片
  地球初期是高温熔体外表类似燃烧的巨大煤球,大量低质量高旋原子在高频波(高温)干扰下变为气体脱离熔体上升形成环包地球的大气圈,因距离原因大气圈可存在不同温度层,各层温度受上下两个热源控制,下部热源为大核原子裂变层或地球中子核剥离裂变层,上部热源为太阳,上下热源纵深影响受大气圈厚度气体粉尘密度控制。地球内热影响随高程加大在减小,太阳热随大气圈纵深影响在变小。中间受内热和外热影响较小形成低温层,因此,地球大气圈早期有不同温度层。不同温度层在地球降温过程中对地壳岩石形成生物出现有着非常重要作用,地质学有必要对大气圈各温度层的高度厚度在各个时期变化进行详细研究。对大气圈不同温度层定名为“高温层”、“低温层”和“中温层”,划分界定方式为:下部温度受地球内热影响较大称“高温层”;上部受太阳影响较大称“中温层”;中间受内、外热源影响都较小称“低温层”。大气圈各温度层厚度高度随地球内热减小变薄分层淡化,当内热消失分层随之消失。  大气圈构成物质一部分来自地球内部少部分可能来自宇宙,但为了叙述方便一般描述为地幔上升物质。 

·高温层

  高温层是地球初期大气圈与地球表面接触层位,它受地球表面熔浆近距离烘烤温度很高,这种环境不保留二氧化碳气体氧气水气等其它低温低质量气体,只有一些质量高核旋速较低的一些气体,如硅气体钙气体等,当然也有一些较大质量的高活性金属气体,当大气圈中上部各种气体因温度变低结合下降到这个层位则重新气化分离上升,层内一些原子因长期在高频波干扰下核旋速变低可在此层结合或在低温层中温层中结合沉落到熔体层形成较老的原始固体,如果比重小于熔体时它们的量达一定程度就是最原始的地壳是最古老的变质岩层,是含铝含硅含铁成份较杂的变质岩层,由于这些沉落物是由核旋速非常低或旋速为零的原子组成,所以由它们组成的岩石密度较低,而且岩石有耐高温特性,岩层有较高的可揉性,当然随着地球继续降温沉降物内的原子旋速在提高,变质岩的密度硬度在提高耐温性在降低成份单一性在提高。  

·低温层

  低温层处在高温层上部受地球内热影响较小,上部大气圈气体又阻断了光照因此成为低温层。此层富含大量等质量较小耐温较低(高旋原子)的气体,是各种中低温气体结合或参与高温气体结合的场所,各种物质在此一般以气体、晶粒和液态形式存在,当结合物重量大于气体浮力时沉降。低温层覆盖地表区是大量中低温气体附着结合场所,是地表接收低温结合物和液态水的场所。因此,当低温层近地表时是大规模硅气体、大规模钙镁气体、水、粉尘等相继来到地面的时期,当然也包括钾钠硫碳等气体。低温层接近地表的区域是由大高程向低高程逐渐迁移的,当然其它温度层也是这种迁移过程,是地球内热减小到一定程度时达到地面的,这一迁移过程在研究岩层演化时非常重要。低温层矿物形成参与的轻气体是由下降液态水提供,或由低温大质量气体上升到中温层结合沉降在低温层形成。下降液态水是为一些矿物形成提供轻气体的主要途径,因质量原因轻气体不能长期存在低温层中,而且低温层没有光照。矿物形成需要的轻气体原因主要是电性配平,地球由里到外各种原子正电性是逐渐变低的,与电离层之距越近负电性越高关联。低温层控制地表期没有生物出现,是各种密度大硬度较大的岩层成岩期,是粉尘随液态水下降地表的时期,是海洋形成期。在这个石期形成的沉积岩主要为:变质石英岩,灰岩,白云岩,粘土岩,或由硅质、钙质胶结的砂砾岩等,当然煤也是这个时期之后形成的。 

·中温层

  中温层在此不是指高温层和低温层之间层位,是指大气圈上部受光照影响层位,它处在大气圈最外层,中温层只允许类似水气等一些低温低质量气体和电性稳定的粉尘长期存在。中温层下部控制地表期是植物出现和发展鼎盛区,这里有充足的光照差水二氧化碳气体;中温层中部控制地表期是喜氧生物出现和发展鼎盛区,这里有充足的氧气水和植被;中温层上部是质量极轻耐温极低的气体环境,这里很少有二氧化碳气体氧气水气,它所覆盖的地面没有生物生存。中温层覆盖地表期是生物生存环境,是沉积松散层形成环境。沉积松散层生物出现还与原子一些特别性质有关,与一些岩石溶水性有关,与原子核旋速有关,这些具有一定特性原子是地球降温到一定程度时的产物,是元素周期表不能反映的原子特性,它给物体赋予了生命。当然生物出现还与月球有很大的关系,与地球自旋速度有关,它起到了均匀气体和均匀温度的作用,使气体不过于集中在赤道,使地面日出日落间没有较大的温差利于细胞在一定温差周期内形成和分裂。  三个不同温度层没有明显界线,各层之间渐变过渡类似现代云层上下温度环境。三个温度层随地球内热减小和大气圈气体粉尘量减少所处位置降低分层随之淡化。大气圈三个温度层在地球表面演化过程对岩(矿)石形成有着重大作用,对生物形成有着重大作用,对生物未来有很大的作用,因此,对地球大气圈演变过程研究是非常重要的,它应重点进入地质学和生物学研究领域。 

影响大气污染的气象因素

大气层结构
      大气层结构
  一个典型的大城市每天向大气中排放几千吨空气污染物,如果没有大气的自然净化作用,空气会很快因污染而对人类及动植物造成致命伤害。大气的自然净化过程包括:降水的洗涤作用;悬浮颗粒的重力沉降作用;污染物跟其他物质间的化学反应等等。但在降低污染物危害方面,最重要的还是大气本身的分散和稀释作用。而大气的这种对污染物的稀释和分散作用的强弱又主要取决于风和大气稳定度两个气象因素。  风是指水平的气流。风对一个地区的大气污染或大气环境质量的影响是显而易见的,它包括风向和风速两个方面。风向决定污染物扩散的方向,风速决定污染物扩散和稀释的快慢和程度。  大气稳定度反映的是大气在垂直方向上的运动状况。当一团空气在大气中上升时,它受到周围大气的压力逐渐减小,它的体积随之发生膨胀。根据热力学原理,气体膨胀会降低它的温度。对于干燥空气来说,如果没有外界热量输入的话,它每上升100米温度就会下降约1°C,而不论其所处的高度是多少。由于空气的热传导作用很弱,当空气团上升时实际发生的膨胀过程近似于绝热膨胀。但是,大气温度随高度的变化率常常不是大于就是小于1°C/100m。当大气的有效垂直降温率大于1°C/100m时,大气是不稳定的;反之,大气是稳定的。特别是当出现逆温天气──气温随高度的增加反而上升时,大气异常稳定。稳定的大气状况,特别是逆温天气,对污染物的扩散不利,此时大气的对流运动很弱,稀释作用很小。  

大气层的作用

大气圈与各圈层之间的相互作用示意图
大气圈与各圈层的相互作用示意图
  大气是地球上生命物质的源泉。通过生物的光合作用(从大气中吸收二氧化碳,放出氧气,制造有机质),进行氧和二氧化碳的物质循环,并维持着生物的生命活动,所以没有大气就没有生物,没有生物也就没有今日的世界。地球表面的水,通过蒸发进入大气,水汽在大气中凝结以降水的形式降落地表。这个水的循环过程往复不止,所以地球上始终有水存在。如果没有大气,地球上的水就会蒸发掉,变成一个像月球那样的干燥星球。没有水分,自然界就没有生机,也就没有当今世界。  大气层又保护着地球的“体温”,使地表的热量不易散失,同时通过大气的流动和热量交换,使地表的温度得到调节。  大气的水热状况,可以影响一个地区的气候的基本特征,进而决定该地区的水文特点、地貌类型、土壤发育和生物类型,从而对地球表面的整个自然环境的演化进程起着重要作用。  大气中含有细微的岩屑和水汽,而地壳岩石中和水体中也有空气存在,它们是互相渗透和互相影响的。大气中的氧和碳酸气,大气的湿度变化以及风雨等,都直接作用于地表的岩石,所以大气的活动对地壳岩石的形成和破坏均有影响。