大气(包围地球的空气)

大气就是包围地球的空气。而天气,从现象上来讲,绝大部分是大气中水分变化的结果。在太阳辐射、下垫面强迫作用和大气环流的共同作用下,形成的天气的长期综合情况称为气候。大气污染对大气物理状态的影响,主要是引起气候的异常变化。这种变化有时是很明显的,有时则以渐渐变化的形式发生,为一般人所难以觉察,但任其发展,后果有可能非常严重。

大气是指在地球周围聚集的一层很厚的大气分子,称之为大气圈。像鱼类生活在水中一样,人类生活在地球 大气的底部,并且一刻也离不开大气。大气为地球生命的繁衍,人类的发展,提供了理想的环境。它的状态和变化,时时处处影响到人类的活动与生存。

大气科学是研究大气圈层的一门科学。它研究大气的具体情况,包括组成大气的成分、这些成分的分布和变化、大气的结构、大气的基本性质和主导状态的运动规律。

大气的运动变化是由大气中热能的交换所引起的,热能主要来源于太阳,热能交换使得大气的温度有升有降。空气的运动和气压系统的变化活动,使地球上海陆之间、南北之间、地面和高空之间的能量和物质不断交换,生成复杂的气象变化和气候变化。大气科学将研究气候的成因,不同区域的气候状况,气候变迁以及人类活动对气候的影响等问题。

就整个地球来说,愈靠近核心,组成物质的密度就愈大。大气圈是地球的一部分,若与地球的固体部分相比较,密度要比地球的固体部分小得多,全部大气圈的重量大约为数5×10的15次方,不到地球总重量的百分之一;以大气圈的高层和低层相比较,高层的密度比低层要小得多,而且越高越稀薄。假如把海平面上的空气密度作为1,那么在240公里的高空,大气密度只有它的一千万分之一;到了1600公里的高空就更稀薄了,只有它的一千万亿分之一。整个大气圈质量的90-都集中在高于海平面16公里以内的空间里。再往上去当升高到比海平面高出80公里的高度,大气圈质量的99.999-都集中在这个界限以下,而所剩无几的大气却占据了这个界限以上的极大的空间。

探测结果表明,地球大气圈的顶部并没有明显的分界线,而是逐渐过渡到星际空间的。高层大气稀薄的程度虽说比人造的真空还要“空”,但是在那里确实还有气体的微粒存在,比星际空间的物质密度要大得多,它们已不属于气体分子了,而是原子及原子再分裂而产生的粒子。以80-100公里的高度为界,在这个界限以下的大气,尽管有稠密稀薄的不同,但它们的成分大体是一致的,都是以氮和氧分子为主,这就是空气。而在这个界限以上,到1000公里上下,就变得以氧为主了;再往上到2400公里上下,就以氦为主;再往上,则主要是氢;在3000公里以上,便稀薄得和星际空间的物质密度差不多了。

自地球表面向上,大气层延伸得很高,可到几千公里的高空。根据人造卫星探测资料的推算,在2000-3000公里的高空,地球大气密度便达到每立方厘米一个微观粒子这一数值,和星际空间的密度非常相近,这样2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大气的上界

大气是由多种气体混合组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂质所组成。表11列举了其气体成分,其中氮(N2)氧(O2)和氩(Ar)三者合占大气总体积的99.96-,其它气体含量甚微。除表11大气的气体组成成分 [1]

在任何表面上,由于大气的重量所产生的压力,也就是单位面积上所受到的力,叫做大气压。其数值等于从单位底面积向上,一直延伸到大气上界的垂直气柱的总重量。气压是重要的气象要素之一。

在气象工作中通用的气压单位有毫米和毫巴两种。

(1)毫米(mm):是用水银柱高度来表示气压高低的单位。例如,气压为760mm,表示当时的大气压强与760mm高的水银柱所产生的压强相等。

(2)毫巴(mb):用单位面积上所受水银柱压力大小来表示气压高低的单位。物理学上,压强的单位是用“巴”表示的:每一平方厘米面积上受到一达因的力,称为一巴。在气象上,嫌这个单位太小,取1,000,000达因/平方厘米为1巴,以巴的千分之一作为气压的单位,称为1毫巴。即:

1巴=1000毫巴

1毫巴=1000达因/厘米2

按物理性质

整个地球大气层按其成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上的变化,世界气象组织把它分为五层,自下 而上依次是:对流层平流层中间层暖层散逸层

对流层

对流层是地球大气中最低的一层。云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层。对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次,也是气象学、气候学研究的重点层次。
  对流层有一个主要特征:气温随高度增加而降低:由于对流层主要是从地面得到热量,因此气温随高度增加而降低。高山常年积雪,高空的云多为冰晶组成,就是这一特征的明显表现。对流层中,气温随高度增加而降低的量值,因所在地区、所在高度和季节等因素而异①。平均而言,高度每增加100m,气温则下降约0.65℃,这称为气温直减率,也叫气温垂直梯度,通常以γ表示:γ=-℃()dZ=0.65/100m 。 [2]

平流层

自对流层顶到55km左右为平流层。在平流层内,随着高度的增高,气温最初保持不变或微有上升。大约到30km以上,气温随高度增加而显著升高,在55km高度上可达-3℃。平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响很小,特别是存在着大量臭氧能够直接吸收太阳辐射有关。虽然30km以上臭氧的含量已逐渐减少,但这里紫外线辐射很强烈,故温度随高度增加得以迅速增高,造成显著的暖层。平流层内气流比较平稳,空气的垂直混合作用显著减弱。平流层中水汽含量极少,大多数时间天空是晴朗的。有时对流层中发展旺盛的积雨云也可伸展到平流层下部。在高纬度20km以上高度,有时在早、晚可观测到贝母云(又称珍珠云)。平流层中的微尘远较对流层中少,但是当火山猛烈爆发时,火山尘可到达平流层,影响能见度和气温。 [3]

中间层

自平流层顶到85km左右为中间层。该层的特点是气温随高度增加而迅速下降,并有相当强烈的垂直运动。在这一层顶部气温降到-113℃-83℃,其原因是由于这一层中几乎没有臭氧,而氮和氧等气体所能直接吸收的那些波长更短的太阳辐射又大部分被上层大气吸收掉了。中间层内水汽含量更极少,几乎没有云层出现,仅在高纬地区的7590km高度,有时能看到一种薄而带银白色的夜光云,但其出现机会很少。这种夜光云,有人认为是由极细微的尘埃所组成。在中间层的6090km高度上,有一个只有白天才出现的电离层,叫做D层。 [4]

热层

热层又称热成层或暖层,它位于中间层顶以上。该层中,气温随高度的增加而迅速增高。这是由于波长小于0.175μm的太阳紫外辐射都被该层中的大气物质(主要是原子氧)所吸收的缘故。其增温程度与太阳活动有关,当太阳活动加强时,温度随高度增加很快升高,这时500km处的气温可增至2000K;当太阳活动减弱时,温度随高度的增加增温较慢,500km处的温度也只有500K。热层没有明显的顶部②。通常认为在垂直方向上,气温从向上增温至转为等温时,为其上限。在热层中空气处于高度电离状态,其电离的程度是不均匀的。其中最强的有两区,即E层(约位于90130km)和F层(约位于160350km)。F层在白天还分为F1和F2两区。据研究高层大气(在60km以上)由于受到强太阳辐射,迫使气体原子电离,产生带电离子和自由电子,使高层大气中能够产生电流和磁场,并可反射无线电波,从这一特征来说,这种高层大气又可称为电离层①,正是由于高层大气电离层的存在,人们才可以收听到很远地方的无线电台的广播。此外,在高纬度地区的晴夜,在热层中可以出现彩色的极光。这可能是由于太阳发出的高速带电粒子使高层稀薄的空气分子或原子激发后发出的光。这些高速带电粒子在地球磁场的作用下,向南北两极移动,所以极光常出现在高纬度地区上空。

散逸层

这是大气的最高层,又称外层。这一层中气温随高度增加很少变化。由于温度高,空气粒子运动速度很大,又因距地心较远,地心引力较小,所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间,本层是大气圈与星际空间的过渡地带。从总体来讲,大气是气候系统中最活跃,变化最大的组成部分,它的整体热容量为5.32×1015MJ,且热惯性小。当外界热源发生变化时,通过大气运动对垂直的和水平的热量传输,使整个对流层热力调整到新热量平衡所需的时间尺度,大约为1个月左右,如果没有补充大气的动能过程,动能因摩擦作用而消耗尽的时间大约也是1个月。 [5]

按特征

第一:按着大气的化学成分来划分。这种划分是以距海平面90公里的高度为界限的。在90公里高度以下,大气是均匀地混合的,组成大气的各种成分相对比例不随高度而变化,这一层叫做均质层。在90公里高度以上,组成大气的各种成分的相对比例,是随高度的升高而发生变化的,比较轻的气体如氧原子、氦原子、氢原子等越来越多,大气就不再是均匀的混合了,因此,把这一层叫做非均质层

第二:是按着大气被电离的状态来划分,可分为非电离层电离层。在海平面以上60公里以内的大气,基本上没有被电离处于中性状态,所以这一层叫非电离层。在60公里以上至1000公里的高度,这一层大气在太阳紫外线的作用下,大气成分开始电离,形成大量的正、负离子和自由电子,所以这一层叫做电离层,这一层对于无线电波的传播有着重要的作用。

在铅直方向的各种特性

按大气温度随高度分布的特征,可把大气分成对流层平流层中间层热层散逸层;也可称为对流层、平流层、中间层、暖层外层。按大气各组成成分的混和状况,可把大气分为均匀层和非均匀层。按大气电离状况,可分为电离层非电离层。按大气的光化反应,可分为臭氧层。按大气运动受地磁场控制情况,可分有磁层

大气与太阳辐射

近地面的大气层主要通过吸收地面辐射而升温,气温随高度的增加而递减,下部热,上部冷,空气垂直对流运动显著,故称对流层(troposphere)。对流层厚度因纬度和季节的不同而不同:热带较厚,寒带较薄;夏季较厚,冬季较薄。赤道地区对流层厚度可达16~18千米,中纬度地区约10~12千米,两极地区约7~8千米。

大气层就好像是一条毛毯,均匀地包住了整个地球,使整个地球就好象处在一个温室之中。白天灼热的太阳发出强烈的短波辐射,大气层能让这些短波光顺利地通过,而到达地球表面,使地表增温。晚上,没有了太阳辐射,地球表面向外辐射热量。因为地表的温度不高,所以辐射是以长波辐射为主,而这些长波辐射又恰恰是大气层不允许通过的,故地表热量不会丧失太多,地表温度也不会降得太低。这样,大气层就起到了调节地球表面温度的作用。这种作用就是大气的保温作用。 [6]

大约在50亿年前,大气伴随着地球的诞生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所说的星云开始凝聚时,地球周围就已经包围了大量的气体了。原始大气的主要成分是 、二氧化碳和甲烷等。当地球形成以后,由于地球内部放射性物质的衰变,进而引起能量的转换。这种转换对于地球大气的维持和消亡都是有作用的,再加上太阳风的强烈作用和地球刚形成时的引力较小,使得原始大气很快就消失掉了。

地球生成以后,由于温度的下降,地球表面发生冷凝现象,而地球内部的高温又促使火山频繁活动,火山爆发时所形成的挥发气体,就逐渐代替了原始大气,而成为次生大气。次生大气的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氢等一些分子量比较重的气体。这些气体和地球的固体物质之间,互相吸引,互相依存。气体没有被地球偌大的离心力所抛弃,而成为大气的第二次生命枣次生大气。

随着太阳辐射向地球表面的纵深发展,光波比较短的紫外线强烈的光合作用,使地球上的次生大气中生成了,而且氧的数量不断地增加。有了氧,就为地球上生命的出现提供了极为有利的“温床”。经过几十亿年的分解、同化和演变,生命终于在地球这个襁褓中诞生了。今天的大气虽然是由多种气体组成的混合物,但主要成分是氮,其次是氧,另外还有一些其它的气体,如二氧化碳、稀有气体等,但数量则极其微小的。

大气污染对大气物理状态的影响,主要是引起气候的异常变化。这种变化有时是很明显的,有时则以渐渐变化的形式发生,为一般人所难以觉察,但任其发展,后果有可能非常严重。大气是在不断变化着的,其自然的变化进程相当缓慢,而人类活动造成的变化祸在燃眉,已引起世界范围的殷切关注,世界各地都已动员了大量人力、物力,进行研究、防范、治理。控制大气污染,保护环境,已成为当代人类一项重要事业。 [7]

大气污染物

随着人类社会生产力的高度发展,各种污染物大量地进入地球大气中,这就是人们所说的“大气污染”。

大气中污染物已经产生危害,受到人们注意的污染物大致有一百种左右,主要污染物如下所示。

名称 成分

粉尘微粒碳粒、

飞灰 caco3、ZnO、PbO2、PM2.5、PM10等、

硫化物 SO2、SO3、H2SO4等、

氮化物 NO、NO2、NH3等

卤化物 Cl2、F2、HCl、HF等、

碳氧化物CO氧化剂O3、PAN等

其中影响范围广,对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。

从污染物来源看,主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气,而烟囱与汽车废气约点总污染物的百分之七十之多。

现状

据有关报道,中国科学院的科研人员利用自行设计的高精度冰芯气泡甲烷提取分析系统,对青藏高原达索普冰芯进行了研究测试、实验分析,获得了近两千年来高分辨率中低纬度大气甲烷纪录,使大气温室气体全球气候变化相互作用的研究取得了突破性进展。通过对青藏高原达索普冰芯中甲烷记录的研究,科研人员发现,1850年以来大气中甲烷含量急剧上升,在过去的150年里上升了1.4倍。而在两次世界大战期间人类活动甲烷排放呈负增长。专家称,这一研究将为全球大气的分布和变化特征提供定量评估的依据。

研究表明,随着温室气体的不断排放,地球大气的“温室效应”会越来越强。温室气体主要由水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物氟里昂等成分组成,其中甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍,且在大气中的浓度呈现出快速增长的趋势。此外,研究还预测出:随着温室气体的大量排放,全球气温将普遍上升。同时,地球生态系统将面临中纬度地区生态系统和农业带向极区迁移和生物多样性降低的威胁,突发性的气候灾难频度增强,这些都将直接影响人类的生存与发展。

20世纪末,随着全球人口的增长和人类活动的加剧,人类向大气中排放的温室气体越来越多,使大气中温室气体的含量成倍增加。专家指出,这些温室气体将通过气候系统控制自然能量的流向,从而影响全球气候的变化。事实上,人类排放到大气中的气体无一例外都要通过自然过程来消除,而消除过程本身则要通过破坏现有的气候、环境及生态系统来完成。人类愈发认清:在环境污染的肇事者名单中,无人可以逃脱;而在环境恶化的受害人名单中,也没谁可以幸免。每一个人不仅仅是环境污染的受害者,也是环境污染的制造者,更是环境污染的治理者。环境保护不仅仅是一个口号、一个话题,它更是一门系统的科学,更是一种意识、一种理念、一种生活方式。环境保护不但需要政府和专家学者,也需要公众的广泛参与,环境保护要从娃娃抓起,让每一个公民从小养成保护环境的习惯,政府的理念要坚定,宣传要细化到位,打持久战。

原理

世界上,宇宙中任何物体都辐射电磁波。物体温度越高,辐射的波长越短。太阳表面温度约6000K,它发射的电磁波长很短,称为太阳短波辐射(其中包括从紫到红的可见光)。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时,也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长,称为地面长波辐射。短波辐射和长波辐射在经过地球大气时的遭遇是不同的:大气对太阳短波辐射几乎是透明的,却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时,它自己也向外辐射波长更长的长波辐射(因为大气的温度比地面更低)。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后就会升温,或者说大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。

有人认为,大气是在地球上诞生后,由于火山活动逐渐从地壳中渗透出来的。在原始大气中,氧的含量非常少,而二氧化碳很多。后来,绿色植物出现在陆地上,通过光合作用,逐渐使原始大气变成了我们认识到的样子。

过去人们认为地球大气是很简单的,直到十九世纪末才知道地球上的大气是由多种气体组成的混合体,并含有水汽和部分杂质。它的主要成分是氮、氧、氩等。在80-100公里以下的低层大气中,气体成分可分为两部分:一部分是“不可变气体成分”,主要指氮、氧、氩三种气体。这几种气体成分之间维持固定的比例,基本上不随时间、空间而变化。另一部分为“易变气体成分”,以水汽、二氧化碳和臭氧为主,其中变化最大的是水汽。总之,大气这种含有各种物质成分的混合物,可以大致分为干洁空气、水汽、微粒杂质和新的污染物。

干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体,简称干空气。它的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等,其容积含量占全部干洁空气的99.99-以上。其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。

成份表

气 体

按容积百分比

按质量百分比

分子量

78.084

75.52

28.0134

20.948

23.15

31.9988

0.934

1.28

39.948

二氧化碳

0.033

0.05

44.0099

水汽在大气中含量很少,但变化很大,其变化范围在0-4-之间,水汽绝大部分集中在低层,有一半的水汽集中在2公里以下,四分之三的水汽集中在4公里以下,10-12公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99-。

大气中的水汽来源于下垫面,包括水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸 发。由于大气温度远低于水面的沸点,因而水在大气中有相变效应。水汽含量在大气中 变化很大,是天气变化的主要角色,云、雾、雨、雪、霜、露等都是水汽的各种形态。 水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射,也能放出长波辐射,水汽的蒸发和凝结又能吸收和放出潜热,这都直接影响到地面和空气的温度,影响到大气的运动和变化。

大气中除了气体成分以外,还有很多的液体和固体杂质、微粒。杂质是指来源于火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒、流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒,还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等。它们多集中于大气的底层。

液体微粒,是指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。

大气中杂质、微粒,聚集在一起,直接影响大气的能见度。但它能充当水汽凝结的核心,加速大气中成云致雨的过程;它能吸收部分太阳辐射,又能削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射,对地面和大气的温度变化产生了一定的影响。

大气中各种成分与万物的关系

首先是大气中的水分通过降水进入土壤,滋养地面万物,土壤中水一方面通过植物的呼吸和蒸发以及土壤本身的蒸发排放到大气中,另一部分与植物和有机物的碳,氮,硫,磷元素产生生物化学反应,通过呼吸与分解又向大气排放二氧化碳,第三部分成为地表河流与地下水,在他们流向海洋的过程中遇到动物排泄的粪便,产生生物化学反应,这些反应物与陆地上的碳,氮,硫,磷一起流入海洋,成为海洋生物的养分的一个来源,海洋生物的呼吸与分解又把二氧化碳排放到大气中。大气中二氧化碳的另一个来源是人类燃烧矿物化石(煤,石油,天然气等)。大气的二氧化碳通过光和作用成为陆地植物,海洋浮游植物的成分,同时上述生物向大气排放氧气

实际大气中除了气体成份之外,还有各种各样的固体、液体微粒。称悬浮着液体、固体粒子的气体为气溶胶,悬浮在气体介质中沉降速度很小的液体和固体粒子称为气溶胶粒子,简称气溶胶;包括尘埃、烟粒、海盐颗粒、微生物、植物 孢子、花粉等,不包括云、雾、冰晶、雨雪等水成物。最小的气溶胶粒子基本上由燃烧产生,如燃烧的烟粒,工业的粉尘,森林火灾,火山爆发等,也有宇宙尘埃。大粒子和巨粒子的气溶胶粒子可由风刮起的尘埃、植物孢子和花粉或海面波浪气泡破裂产生。

气溶胶粒子可以吸附或溶解大气中某些微量气体,产生化学反应,污染大气。气溶胶粒子还能吸附和散射太阳辐射,改变大气辐射平衡状态,或影响大气能见度

(1)全球变暖

原因:二氧化碳的增多而使气温升高

二氧化碳增多的原因:①大量燃烧矿物燃料,②毁林

危害:①海平面上升,淹没陆地

②改变各地降水状况和干湿状况,导致世界各国经济结构的变化

保护措施:①提高能源的利用技术和能源利用效益,采用新能源

②努力加强国际合作

(2)臭氧层的破坏与保护

原因:除了自然原因以外,主要是人类使用制冷设备排放的氟氯烃

危害:①危害人体健康,②对生态环境和农林牧渔业造成破坏

保护措施:减少并逐步禁止氟氯烃等消耗臭氧物质的排放,加强国际合作

(3)酸雨

概念:人们一般把PH值小于5.6的雨水称为酸雨

成因:燃烧矿物排放的大量二氧化硫和氮氧化物等酸性气体

危害:河湖水酸化,土壤酸化,危害森林和农作物生长,腐蚀建筑和文物古迹等

防治措施:防治酸雨最根本的措施是减少人为硫氧化合物和氮氧化合物的排放,我国已经采取了发展洁净煤技术、清洁燃烧技术等措施来控制酸雨。

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