大气

 
大气
大气
 大气,包围地球的空气总体。它是地球上一切生命赖以生存的重要物质条件之一。地球大气层,不仅包含有多数有机体呼吸所使用的氧和植物与海藻和蓝绿藻行光合作用所使用的二氧化碳,也保护生物基因免于受到太阳紫外线辐射的伤害。它目前的组成是古大气层生活在其中的有机体经过数亿年的生物化学修改后的结果。大气不仅随地球而转动,而且相对于地壳,又有复杂的运动。大气是以氧、为主的多成分混合气体,地表附近密度最大,接近地表的干燥空气,在标准状况下每升重1.293克。海平面平均气压约1013百帕。大气的密度和气压均随高度的增加按指数律减小。大气总质量约5.3×1018千克,约占地球总质量的百万分之一。大气总质量的99.9%集中在48公里以下,约在距地表一个地球半径以外的高空,逐渐向星际空间过渡。大气圈的上界是磁层顶。磁层顶的高度:向太阳的一侧低于背太阳的一侧,太阳活动期低于太阳宁静期。一般,人们将向太阳一侧的磁层顶高度(距地球中心约10个地球半径)作为大气上界的高度,它距地面约 57600公里。由于地球表面的性质不同(如海、陆、植被等),大气的成分、物理性质和运动状态都存在着地区性的差异,但铅直方向的变化比水平方向的变化要大得多。  地球大气经历了一系列复杂的演化过程,才形成了现在这种大气组成、层次结构和物理属性。          

大气成分

 
大气中的气体驱散蓝光的波长远胜于其他波长,因此从太空中看见的地球会出现蓝色的光晕
大气中的气体驱散蓝光的波长远胜于其他波长,因此从太空中看见的地球会出现蓝色的光晕
 大气中除了氧、氮等气体外,还悬浮着水滴(如云滴、雾滴)、冰晶和固体微粒(如尘埃、孢子、花粉等)。大气中的悬浮物常称为气溶胶质粒。没有水汽和悬浮物的空气,称干洁空气。大约在85公里以下的大气层,对流、湍流盛行,大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用,这层大气的组分比例相同,称匀和层(曾称均质层)。匀和层内干洁空气的平均分子量约28.96。约110公里以上的大气层,分子扩散作用超过湍流扩散作用,称非匀和层(曾称非均质层),这层大气的组分经重力分离后,轻的在上、重的在下,干洁空气的平均分子量随高度的增加而减小。85~110公里是从湍流混合为主过渡到分子扩散为主的过渡带,称湍流层顶。湍流层顶附近湍流扩散和分子扩散具有同样重要性,大气成分具有从匀和层向非匀和层过渡的特点。

·大气的物质组成

  地球上的大气,有氮、氧、氩等常定的气体成分,有二氧化碳、一氧化二氮等含量大体上比较固定的气体成分,也有水汽、一氧化碳、二氧化硫和臭氧等变化很大的气体成分。其中还常悬浮有尘埃、烟粒、盐粒、水滴、冰晶、花粉、孢子、细菌等固体和液体的气溶胶粒子。 具体成分是:氮(78.084) 氧(20.946) 氩(0.934) 水汽(0.25)二氧化碳(0.032) 氖(0.0018) 氦(0.00052) 甲烷(0.0002) 氪(0.0001) 氢(0.00005) 氙(0.000008) 臭氧(0.000001) 其他(0.001421)   

·大气的气体成分

  在高度60Km以下大都是中性分子;从60 Km向上,白天在太阳辐射作用下开始电离,在90 Km以上,则大都处于电离状态。高层大气中,有些成分还分解为原子状态。  

·匀和层大气成分

   基本不变的气体成分:主要成分氮、氧、氩占大气总体积的99.96%。 其余气体均是微量(见表)。在85公里以下,氮、氧等主要气体各自所占的体积比在各高度上基本相同。    可变的气体成分:主要有二气化碳、水汽、臭氧等。这些气体含量虽少,它们对大气物理状况的影响却很大。  ① 二氧化碳。在11~20公里以下,二氧化碳的分布比较均匀,相对含量基本不变。由于工业的发展、化石燃料(如:煤、石油、天然气)燃量的增加、森林覆盖面积的减少,二氧化碳在大气中的含量有增加的趋势。例如,1890年二氧化碳的含量为0.0296%(体积比),1978年已增至0.0332%(体积比)。二氧化碳吸收太阳辐射少,但能强烈吸收地面辐射并发出长波辐射,从而影响大气的温度。二氧化碳含量增加对气候变化的影响,已引起广泛的重视。    ② 臭氧。主要分布在10~50公里之间,尤其集中在20~30公里范围内, 那里的臭氧浓度常超过1×10-6体积比)。大气低层的臭氧含量少,典型浓度是(0.005~0.05)×10-6(空气未污染时的体积比)至0.5×10-6(空气受污染时的体积比)。高空的臭氧主要由光化作用形成,低空的臭氧一部分由闪电或有机物氧化产生,另一部分从高空输来。大气中的臭氧总量很少,对横截面积为1平方厘米的整个铅直大气柱中的臭氧,折算到标准状态(气压1013.25百帕,温度273K),臭氧的总累积厚度平均约有0.3厘米。 臭氧总量的分布随纬度和时间而异。臭氧强烈吸收太阳紫外辐射(2000~3200埃,3200~3600埃),使平流层大气的温度较快地随高度增加,也使地面生物免受过量紫外辐射的伤害。    ③ 水汽。大气中水汽的含量,随时间、地点变化很大。沙漠或极地上空的水汽极少,热带洋面上的水汽含量可多达4%(体积比)。在铅直方向,水汽含量一般随高度增加而减少。在大气温度变化的范围内水汽可发生相变,产生云雾雨雪。水汽在太阳辐射的近红外和红外区域,特别对地球长波辐射区域,有较强的吸收带。  ④ 其他成分。随着工业的发展和化石燃料耗量的增多,污染性气体(例如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮、硫化氢、氨、一氧化碳等)将日渐增多。    气溶胶质粒:匀和层内除气体成分外,悬浮着大量气溶胶质粒,其含量和分布随时间、地点、天气条件而变。大气气溶胶质粒的总浓度一般是低空多、高空少,陆地多、海上少,城市多、乡村少。它们使能见度变坏,影响辐射传输,有的能起凝结核的作用。  

·非匀和层大气成分

   110公里以上的大气,各成分的铅直分布是按分子量(或原子量)的大小由下而上排列的。由此高度向上,原子氧逐渐增加,再向上依次为原子氧层、原子氦层(距地表1000~2400公里)和原子氢层(2400公里以上)。          

大气分层

 
高层大气结构
高层大气结构
 整个大气圈,根据温度变化、电离状态和化学反应等特征随高度分布的不同,可分成若干层次。

·按热力性质分层

   根据大气温度随高度的分布特点,大气圈由地面向上可分成对流层、平流层、中层、热层。在热层之上,中性分子有向星际空间逃逸的现象,常称为外逸层。    对流层:位于大气圈最下部的层次,其底与地面相接。对流层厚度在赤道约17~18公里,在中纬度平均约12公里,在极地约 8公里。赤道地区由于热力对流强烈对流层较厚。对流层内的温度一般随高度的增加而递减,其递减率平均约每公里 6.5℃。这是由于太阳辐射主要加热地面,地面的热量通过传导、对流、湍流、辐射等方式再传递给大气,因而接近地面的大气温度较高,远离地面的大气温度较低。对流层中湍流、对流从不停止,大多数的云和天气系统均在这一层。对流层同平流层之间的过渡区,厚度约几百米至一两公里,称对流层顶。对流层顶附近温度递减率发生突变,或随高度增加温度降低的程度变小,或随高度增加温度保持不变,或随高度增加温度稍有增高。在极地和赤道之间对流层顶不连续,在纬度约30°~45°之间常有复对流层顶。    平流层:从对流层顶至约50公里高度的大气层。平流层内,温度随高度的增加而增高,下半部温度随高度增高得少,上半部则增高得多。这种温度随高度而增加的特征,主要是大气臭氧对紫外辐射的吸收形成的。平流层内空气大多作水平运动,对流十分微弱。大气污染物进入平流层后,能长期存在,如在20公里高度上曾发现有硫酸盐层。在高纬度地区,冬季在20~30公里高度上有珠母云(又称贝母云)。平流层顶位于离地面50~55公里处,那里的温度约达271K。    中层:从平流层顶至85公里左右的大气层。在中层,一则由于臭氧已稀少,二则由于氮、氧等气体所能直接吸收的波长更短的太阳辐射,大部分已被上层大气吸收,层内温度类似于对流层的情况,随高度的增加而迅速递减。中层有相当强烈的铅直对流。中层顶距地表80~85公里。该处年平均温度约190K,有时出现夜光云。    热层:从中层顶至250公里(太阳宁静期)或500公里左右(太阳活动期)的大气层。热层大气由直接吸收太阳辐射而获得能量,温度随高度的增加而增高。在太阳宁静期的夜里,温度约为500K左右;在太阳活动期的白天,温度可达2000K左右。温度不随高度的增加而增高的起始高度称热层顶,在太阳宁静期此高度约为250公里,在太阳活动期此高度可增至500公里左右。    外逸层:一般指距地表 500公里以上的大气区域。外逸层大气十分稀薄。大气粒子很少互相碰撞,中性粒子基本上按抛物线轨迹运动,有些速度较大的中性粒子,能克服地球引力而逸入星际空间。  

·按电磁特性分层

   根据大气的电离特性,大气圈可分成中性层、电离层和磁层。    中性层:指自地表至60公里左右的大气层。中性层大气有时虽然局部可有较多的带电粒子(如雷暴时),但一般情况下带电粒子少,主要由中性气体组成。    电离层:指自60公里到500或1000公里的大气层,系由较多气体分子吸收了太阳X 射线和紫外辐射电离而成。习惯上按电子密度的大小,常把电离层自下而上分成D层(60~90公里)、E层(90~140公里)、F层(140~500或1000公里)。 各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节、太阳活动而变化。1000公里以上,也存在电子和离子,但数密度已很小,分布也极不均匀。电离层能反射无线电波,对电波通信很重要。    磁层:地球磁层始于地表以上500~1000公里处,向空间延伸到磁层边缘。太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面,就是地球磁层的边界,称磁层顶。朝太阳一侧的磁层顶离地心约8~11个地球半径,太阳激烈活动时,被突然增强的太阳风压缩到5~7个地球半径。背太阳一侧,因太阳风不能对地磁场施以任何有效的压力,磁层在空间可以延伸到几百个甚至一千个地球半径以外,形成一个磁尾。磁尾中,两侧磁力线突然改变方向的界面,称为中性片。磁层顶即作为地球大气的上界。  此外,距地表约20~110公里(也有主张由对流层顶至195公里左右)的大气层,由于太阳紫外辐射能使大气分子产生光分解或光电离等作用,被分解或电离的物质在一定条件下又能互相发生化学反应,因此,这层大气称光化层。

大气环流

  
大气环流示意图
大气环流示意图
 大气环流是地球大气层内气流沿着稳定的路径进行不同规模运动的总称。其主要表现形式包括全球行星风系、三圈环流、定常分布的平均槽脊和高空急流、西风带中的大型扰动、季风环流。  17世纪,随着航海事业的发展和气象观测仪器的应用,人们开始研究信风和全球大气环流。1686年,英国天文学家哈雷首次提出信风理论。半个世纪后,随着人们对信风研究的深入,英国天文学家哈得来(G.Hadley,1685-1744)第一次在研究大气环流时考虑地球自转的因素,修正了哈雷的理论,并创立了经圈环流的理论。此理论虽较粗略,却是以后大气环流研究的基础之一,而人们还把赤道附近的经圈环流称为哈得来环流。  1856年,美国人费雷尔(W.Ferrel,1817-1891)首次将科里奥利力引入大气运动研究,并提出中纬度的逆环流,推进了经圈环流的理论。19世纪末,挪威气象学家皮耶克尼斯(V.F.K.Bjerknes,1862-1951)将流体力学和热力学应用于大尺度大气和海洋运动研究,提出了著名的环流理论。他还根据理论和观测事实,于1921年提出了著名的大气环流图案,揭示了地球上空大气运动的规律。  此后,大气环流理论仍在发展。1928年,瑞典气象学家伯杰龙(T.H.P.Bergeron,1891-1977)最先提出三圈环流理论,后经瑞典裔美国气象学家罗斯贝(C.G.Rossby,1898-1957)作进一步延伸,用它代替哈得来环流模式。  大气环流十分复杂,环流性状在不断变化,这是太阳-天气气候关系、地-气关系、海-气关系、甚至还有生物和人类活动的影响长期综合作用的结果,还需要继续做不断的探索。大气环流研究不仅是人类认识自然的重要组成部分,而且对于改进和提高天气预报准确率、研究气候形成理论、探索全球气候变化、以及更有效地利用气候资源,都具有重要的意义。

科学家揭开地球早期大气氧气起源之谜

  据英国《独立报》报道,引起大气中氧含量增加的“大氧化事件”是地球大气层发生的最重大的一次改变,它使我们现在能够呼吸到赋予生命的氧气。现在加拿大科学家揭开了早期大气里的氧气为什么会突然增多之谜。  如果没有氧气,地球上就不会有我们现在已知的生命存在。它所提供的超级动力空气,促使地球上的生物多样性迅速增加,使大到恐龙和小到最小的虾等体积各异的动物出现。空气中大约21%都是氧气。氧气是活有机体通过有氧呼吸,把食物转变成能量的最佳方式。然而,大气并非一直都含有丰富的氧气,而且好多代科学家一直都无法解释氧气产生的原因。  最近加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学的库尔特·康豪瑟尔领导的一个科研组通过研究,指出在27亿年前地球上出现单细胞生物的时候,早期大气里的氧气为什么会突然增多。他们认为那时“大氧化事件”已经开始,破坏氧气的微生物统统死光,这为产生氧气的微生物生存提供更大优势。被称作镍的一种微量金属数量下降,导致“大氧化事件”发生,这促使地球上的氧气迅速增多,生命慢慢形成。  镍在大气氧气积聚过程中所起的重要作用是个新发现。如果康豪瑟尔教授和他的同事的结论是正确的,那么这项发现不仅能解释生命出现爆发式进化的原因,而且还能解释为什么地球是圆的,因为氧气的腐蚀作用对侵蚀岩石,形成河流和雕刻海岸线至关重要。华盛顿卡内基研究所的多米尼克·帕皮诺说:“‘大氧化事件’彻底改变了地表环境,最终使高级生命诞生。这是地球生命进化的一个重要转折点,我们正在了解这种事情是如何发生的。”  氧是一种活性很强的分子,如果不是一直有氧生成,它很快就会从地球上消失。现在主要依靠植物进行光合作用,氧气才能在大气中不断积聚。光合作用把阳光转变成化学能和氧气。据悉,在25亿年前出现“大氧化事件”时,第一种光合微生物“蓝绿”藻或者称蓝细菌(Cyanobacteria)大约已经进化了3亿年。但是它们生成的氧气很快就被数量更多的产甲烷细菌生成的甲烷破坏掉了。产甲烷细菌不需要氧气,它们可通过无氧呼吸继续生存下去。  产生甲烷细菌现在仍生活在多水、缺氧的沼泽和湿地等环境中,镍是确保它们继续生存下去的重要元素。如果缺少镍,对这些产甲烷细菌至关重要的酶就会遭到致命破坏。这些科学家发现,通过分析水成岩,可以检测到38亿年前早期地球上的海洋里的镍含量。他们发现,27亿年前到25亿年前,即“大氧化事件”开始的时候,镍的数量出现急剧下降。帕皮诺说:“两个时间段非常吻合。镍的下降为‘大氧化事件’打好了坚实基础。通过我们对产甲烷生物的了解可知,镍含量下降有效降低了甲烷生成。以前没有人考虑过地球上的氧气增多与镍之间的联系。但是我们的研究说明,这个联系可能对地球环境和生命史产生了巨大影响。”  康豪瑟尔表示,这项发表在《自然》杂志上的研究支持了以下观点:产甲烷细菌在数亿年间,一直阻止氧气在早期地球大气里积聚。科学家认为,这个时期地壳降温导致镍水平下降,地壳降温意味着有更少镍通过火山爆发的形式进入海洋。康豪瑟尔说:“我们对层状铁矿地层里的岩石所含的镍进行研究,发现在大约25亿年前,这种物质的量仅为以前的一半。不过我们要解决的问题是,镍水平降低会让产甲烷细菌出现什么反应。我们认为这些微生物都死光了。”虽然“大氧化事件”没像现在这样,使氧气水平突然上升,但是它确实使地球大气里的氧气显著增加,而且这种趋势一直在持续,从没被逆转过。