大氣(包圍地球的空氣)

大氣就是包圍地球的空氣。而天氣，從現象上來講，絕大部分是大氣中水分變化的結果。在太陽輻射、下墊面強迫作用和大氣環流的共同作用下，形成的天氣的長期綜合情況稱為氣候。大氣污染對大氣物理狀態的影響，主要是引起氣候的異常變化。這種變化有時是很明顯的，有時則以漸漸變化的形式發生，為一般人所難以覺察，但任其發展，後果有可能非常嚴重。

基本介紹

• 中文名：大氣
• 外文名：atmosphere
• 含義：包圍地球的空氣
• 別稱：大氣圈
• 主要成分：氮，氧，二氧化碳等

大氣介紹

大氣是指在地球周圍聚集的一層很厚的大氣分子，稱之為大氣圈。像魚類生活在水中一樣，人類生活在地球大氣的底部，並且一刻也離不開大氣。大氣為地球生命的繁衍，人類的發展，提供了理想的環境。它的狀態和變化，時時處處影響到人類的活動與生存。

大氣科學是研究大氣圈層的一門科學。它研究大氣的具體情況，包括組成大氣的成分、這些成分的分布和變化、大氣的結構、大氣的基本性質和主導狀態的運動規律。

熱能來源

大氣的運動變化是由大氣中熱能的交換所引起的，熱能主要來源於太陽，熱能交換使得大氣的溫度有升有降。空氣的運動和氣壓系統的變化活動，使地球上海陸之間、南北之間、地面和高空之間的能量和物質不斷交換，生成複雜的氣象變化和氣候變化。大氣科學將研究氣候的成因，不同區域的氣候狀況，氣候變遷以及人類活動對氣候的影響等問題。

大氣密度

就整個地球來說，愈靠近核心，組成物質的密度就愈大。大氣圈是地球的一部分，若與地球的固體部分相比較，密度要比地球的固體部分小得多，全部大氣圈的重量大約為數5×10的15次方，不到地球總重量的百分之一；以大氣圈的高層和低層相比較，高層的密度比低層要小得多，而且越高越稀薄。假如把海平面上的空氣密度作為1，那么在240公里的高空，大氣密度只有它的一千萬分之一；到了1600公里的高空就更稀薄了，只有它的一千萬億分之一。整個大氣圈質量的90%都集中在高于海平面16公里以內的空間裡。再往上去當升高到比海平面高出80公里的高度，大氣圈質量的99.999%都集中在這個界限以下，而所剩無幾的大氣卻占據了這個界限以上的極大的空間。

探測結果表明，地球大氣圈的頂部並沒有明顯的分界線，而是逐漸過渡到星際空間的。高層大氣稀薄的程度雖說比人造的真空還要“空”，但是在那裡確實還有氣體的微粒存在，比星際空間的物質密度要大得多，它們已不屬於氣體分子了，而是原子及原子再分裂而產生的粒子。以80-100公里的高度為界，在這個界限以下的大氣，儘管有稠密稀薄的不同，但它們的成分大體是一致的，都是以氮和氧分子為主，這就是空氣。而在這個界限以上，到1000公里上下，就變得以氧為主了；再往上到2400公里上下，就以氦為主；再往上，則主要是氫；在3000公里以上，便稀薄得和星際空間的物質密度差不多了。

自地球表面向上，大氣層延伸得很高，可到幾千公里的高空。根據人造衛星探測資料的推算，在2000-3000公里的高空，地球大氣密度便達到每立方厘米一個微觀粒子這一數值，和星際空間的密度非常相近，這樣2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大氣的上界。

大氣的組成

大氣是由多種氣體混合組成的氣體及浮懸其中的液態和固態雜質所組成。表1·1列舉了其氣體成分，其中氮（N2）氧（O2）和氬（Ar）三者合占大氣總體積的99.96%，其它氣體含量甚微。除表1·1大氣的氣體組成成分

由來

在任何表面上，由於大氣的重量所產生的壓力，也就是單位面積上所受到的力，叫做大氣壓。其數值等於從單位底面積向上，一直延伸到大氣上界的垂直氣柱的總重量。氣壓是重要的氣象要素之一。

在氣象工作中通用的氣壓單位有毫米和毫巴兩種。

（1）毫米(mm)：是用水銀柱高度來表示氣壓高低的單位。例如，氣壓為760mm，表示當時的大氣壓強與760mm高的水銀柱所產生的壓強相等。

（2）毫巴(mb)：用單位面積上所受水銀柱壓力大小來表示氣壓高低的單位。物理學上，壓強的單位是用“巴”表示的：每一平方厘米麵積上受到一達因的力，稱為一巴。在氣象上，嫌這個單位太小，取1,000,000達因/平方厘米為1巴，以巴的千分之一作為氣壓的單位，稱為1毫巴。即：

1巴=1000毫巴

1毫巴=1000達因/厘米2

大氣的分層

按物理性質

整個地球大氣層按其成分、溫度、密度等物理性質在垂直方向上的變化，世界氣象組織把它分為五層，自下而上依次是：對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。

對流層

對流層是地球大氣中最低的一層。雲、霧、雨雪等主要大氣現象都出現在此層。對流層是對人類生產、生活影響最大的一個層次，也是氣象學、氣候學研究的重點層次。
對流層有一個主要特徵：氣溫隨高度增加而降低：由於對流層主要是從地面得到熱量，因此氣溫隨高度增加而降低。高山常年積雪，高空的雲多為冰晶組成，就是這一特徵的明顯表現。對流層中，氣溫隨高度增加而降低的量值，因所在地區、所在高度和季節等因素而異①。平均而言，高度每增加100m，氣溫則下降約0.65℃，這稱為氣溫直減率，也叫氣溫垂直梯度，通常以γ表示：γ=-℃（·）dZ=0.65/100m 。

平流層

自對流層頂到55km左右為平流層。在平流層內，隨著高度的增高，氣溫最初保持不變或微有上升。大約到30km以上，氣溫隨高度增加而顯著升高，在55km高度上可達-3℃。平流層這種氣溫分布特徵是和它受地面溫度影響很小，特別是存在著大量臭氧能夠直接吸收太陽輻射有關。雖然30km以上臭氧的含量已逐漸減少，但這裡紫外線輻射很強烈，故溫度隨高度增加得以迅速增高，造成顯著的暖層。平流層內氣流比較平穩，空氣的垂直混合作用顯著減弱。平流層中水汽含量極少，大多數時間天空是晴朗的。有時對流層中發展旺盛的積雨雲也可伸展到平流層下部。在高緯度20km以上高度，有時在早、晚可觀測到貝母雲（又稱珍珠雲）。平流層中的微塵遠較對流層中少，但是當火山猛烈爆發時，火山塵可到達平流層，影響能見度和氣溫。

中間層

自平流層頂到85km左右為中間層。該層的特點是氣溫隨高度增加而迅速下降，並有相當強烈的垂直運動。在這一層頂部氣溫降到-113℃—-83℃，其原因是由於這一層中幾乎沒有臭氧，而氮和氧等氣體所能直接吸收的那些波長更短的太陽輻射又大部分被上層大氣吸收掉了。中間層內水汽含量更極少，幾乎沒有雲層出現，僅在高緯地區的75—90km高度，有時能看到一種薄而帶銀白色的夜光雲，但其出現機會很少。這種夜光雲，有人認為是由極細微的塵埃所組成。在中間層的60—90km高度上，有一個只有白天才出現的電離層，叫做D層。

熱層

熱層又稱熱成層或暖層，它位於中間層頂以上。該層中，氣溫隨高度的增加而迅速增高。這是由於波長小於0.175μm的太陽紫外輻射都被該層中的大氣物質（主要是原子氧）所吸收的緣故。其增溫程度與太陽活動有關，當太陽活動加強時，溫度隨高度增加很快升高，這時500km處的氣溫可增至2000K；當太陽活動減弱時，溫度隨高度的增加增溫較慢，500km處的溫度也只有500K。熱層沒有明顯的頂部②。通常認為在垂直方向上，氣溫從向上增溫至轉為等溫時，為其上限。在熱層中空氣處於高度電離狀態，其電離的程度是不均勻的。其中最強的有兩區，即E層（約位於90—130km）和F層（約位於160—350km）。F層在白天還分為F1和F2兩區。據研究高層大氣（在60km以上）由於受到強太陽輻射，迫使氣體原子電離，產生帶電離子和自由電子，使高層大氣中能夠產生電流和磁場，並可反射無線電波，從這一特徵來說，這種高層大氣又可稱為電離層①，正是由於高層大氣電離層的存在，人們才可以收聽到很遠地方的無線電台的廣播。此外，在高緯度地區的晴夜，在熱層中可以出現彩色的極光。這可能是由於太陽發出的高速帶電粒子使高層稀薄的空氣分子或原子激發後發出的光。這些高速帶電粒子在地球磁場的作用下，向南北兩極移動，所以極光常出現在高緯度地區上空。

散逸層

這是大氣的最高層，又稱外層。這一層中氣溫隨高度增加很少變化。由於溫度高，空氣粒子運動速度很大，又因距地心較遠，地心引力較小，所以這一層的主要特點是大氣粒子經常散逸至星際空間，本層是大氣圈與星際空間的過渡地帶。從總體來講，大氣是氣候系統中最活躍，變化最大的組成部分，它的整體熱容量為5.32×1015MJ，且熱慣性小。當外界熱源發生變化時，通過大氣運動對垂直的和水平的熱量傳輸，使整個對流層熱力調整到新熱量平衡所需的時間尺度，大約為1個月左右，如果沒有補充大氣的動能過程，動能因摩擦作用而消耗盡的時間大約也是1個月。

按特徵

第一：按著大氣的化學成分來劃分。這種劃分是以距海平面90公里的高度為界限的。在90公里高度以下，大氣是均勻地混合的，組成大氣的各種成分相對比例不隨高度而變化，這一層叫做均質層。在90公里高度以上，組成大氣的各種成分的相對比例，是隨高度的升高而發生變化的，比較輕的氣體如氧原子、氦原子、氫原子等越來越多，大氣就不再是均勻的混合了，因此，把這一層叫做非均質層。

第二：是按著大氣被電離的狀態來劃分，可分為非電離層和電離層。在海平面以上60公里以內的大氣，基本上沒有被電離處於中性狀態，所以這一層叫非電離層。在60公里以上至1000公里的高度，這一層大氣在太陽紫外線的作用下，大氣成分開始電離，形成大量的正、負離子和自由電子，所以這一層叫做電離層，這一層對於無線電波的傳播有著重要的作用。

在鉛直方向的各種特性

按大氣溫度隨高度分布的特徵，可把大氣分成對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層；也可稱為對流層、平流層、中間層、暖層和外層。按大氣各組成成分的混和狀況，可把大氣分為均勻層和非均勻層。按大氣電離狀況，可分為電離層和非電離層。按大氣的光化反應，可分為臭氧層。按大氣運動受地磁場控制情況，可分有磁層。

大氣與太陽輻射

近地面的大氣層主要通過吸收地面輻射而升溫，氣溫隨高度的增加而遞減，下部熱，上部冷，空氣垂直對流運動顯著，故稱對流層（troposphere)。對流層厚度因緯度和季節的不同而不同：熱帶較厚，寒帶較薄；夏季較厚，冬季較薄。赤道地區對流層厚度可達16～18千米，中緯度地區約10～12千米，兩極地區約7～8千米。

大氣層就好像是一條毛毯，均勻地包住了整個地球，使整個地球就好象處在一個溫室之中。白天灼熱的太陽發出強烈的短波輻射，大氣層能讓這些短波光順利地通過，而到達地球表面，使地表增溫。晚上，沒有了太陽輻射，地球表面向外輻射熱量。因為地表的溫度不高，所以輻射是以長波輻射為主，而這些長波輻射又恰恰是大氣層不允許通過的，故地表熱量不會喪失太多，地表溫度也不會降得太低。這樣，大氣層就起到了調節地球表面溫度的作用。這種作用就是大氣的保溫作用。

發展階段

原始大氣

大約在50億年前，大氣伴隨著地球的誕生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所說的星雲開始凝聚時，地球周圍就已經包圍了大量的氣體了。原始大氣的主要成分是氫、氦 、二氧化碳和甲烷等。當地球形成以後，由於地球內部放射性物質的衰變，進而引起能量的轉換。這種轉換對於地球大氣的維持和消亡都是有作用的，再加上太陽風的強烈作用和地球剛形成時的引力較小，使得原始大氣很快就消失掉了。

次生大氣

地球生成以後，由於溫度的下降，地球表面發生冷凝現象，而地球內部的高溫又促使火山頻繁活動，火山爆發時所形成的揮發氣體，就逐漸代替了原始大氣，而成為次生大氣。次生大氣的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氫和氨等一些分子量比較重的氣體。這些氣體和地球的固體物質之間，互相吸引，互相依存。氣體沒有被地球偌大的離心力所拋棄，而成為大氣的第二次生命棗次生大氣。

今日大氣階

隨著太陽輻射向地球表面的縱深發展，光波比較短的紫外線強烈的光合作用，使地球上的次生大氣中生成了氧，而且氧的數量不斷地增加。有了氧，就為地球上生命的出現提供了極為有利的“溫床”。經過幾十億年的分解、同化和演變，生命終於在地球這個襁褓中誕生了。今天的大氣雖然是由多種氣體組成的混合物，但主要成分是氮，其次是氧，另外還有一些其它的氣體，如二氧化碳、稀有氣體等，但數量則極其微小的。

大氣污染

大氣污染對大氣物理狀態的影響，主要是引起氣候的異常變化。這種變化有時是很明顯的，有時則以漸漸變化的形式發生，為一般人所難以覺察，但任其發展，後果有可能非常嚴重。大氣是在不斷變化著的，其自然的變化進程相當緩慢，而人類活動造成的變化禍在燃眉，已引起世界範圍的殷切關注，世界各地都已動員了大量人力、物力，進行研究、防範、治理。控制大氣污染，保護環境，已成為當代人類一項重要事業。

大氣污染物

隨著人類社會生產力的高度發展，各種污染物大量地進入地球大氣中，這就是人們所說的“大氣污染”。

大氣中污染物已經產生危害，受到人們注意的污染物大致有一百種左右，主要污染物如下所示。

名稱 成分

粉塵微粒碳粒、

飛灰 caco3、ZnO、PbO2、PM2.5、PM10等、

硫化物 SO2、SO3、H2SO4等、

氮化物 NO、NO2、NH3等

鹵化物 Cl2、F2、HCl、HF等、

碳氧化物CO氧化劑O3、PAN等

其中影響範圍廣，對人類環境威脅較大的主要是煤粉塵、一氧化碳、碳化氫、硫化氫和氨等。

從污染物來源看，主要有燃料燃燒時從煙囪排出的廢氣與汽車排氣和工廠漏掉跑掉的毒氣，而煙囪與汽車廢氣約點總污染物的百分之七十之多。

大氣變暖

現狀

據有關報導，中國科學院的科研人員利用自行設計的高精度冰芯氣泡甲烷提取分析系統，對青藏高原達索普冰芯進行了研究測試、實驗分析，獲得了近兩千年來高解析度中低緯度大氣甲烷紀錄，使大氣溫室氣體與全球氣候變化相互作用的研究取得了突破性進展。通過對青藏高原達索普冰芯中甲烷記錄的研究，科研人員發現,1850年以來大氣中甲烷含量急劇上升，在過去的150年裡上升了1.4倍。而在兩次世界大戰期間人類活動甲烷排放呈負增長。專家稱，這一研究將為全球大氣的分布和變化特徵提供定量評估的依據。

研究表明，隨著溫室氣體的不斷排放，地球大氣的“溫室效應”會越來越強。溫室氣體主要由水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、氟里昂等成分組成，其中甲烷的溫室效應是二氧化碳的20倍，且在大氣中的濃度呈現出快速增長的趨勢。此外，研究還預測出：隨著溫室氣體的大量排放，全球氣溫將普遍上升。同時，地球生態系統將面臨中緯度地區生態系統和農業帶向極區遷移和生物多樣性降低的威脅，突發性的氣候災難頻度增強，這些都將直接影響人類的生存與發展。

形成原因

20世紀末，隨著全球人口的增長和人類活動的加劇，人類向大氣中排放的溫室氣體越來越多，使大氣中溫室氣體的含量成倍增加。專家指出，這些溫室氣體將通過氣候系統控制自然能量的流向，從而影響全球氣候的變化。事實上，人類排放到大氣中的氣體無一例外都要通過自然過程來消除，而消除過程本身則要通過破壞現有的氣候、環境及生態系統來完成。人類愈發認清：在環境污染的肇事者名單中，無人可以逃脫；而在環境惡化的受害人名單中，也沒誰可以倖免。每一個人不僅僅是環境污染的受害者，也是環境污染的製造者，更是環境污染的治理者。環境保護不僅僅是一個口號、一個話題，它更是一門系統的科學，更是一種意識、一種理念、一種生活方式。環境保護不但需要政府和專家學者，也需要公眾的廣泛參與，環境保護要從娃娃抓起，讓每一個公民從小養成保護環境的習慣，政府的理念要堅定，宣傳要細化到位，打持久戰。

原理

世界上，宇宙中任何物體都輻射電磁波。物體溫度越高，輻射的波長越短。太陽表面溫度約6000K，它發射的電磁波長很短，稱為太陽短波輻射（其中包括從紫到紅的可見光）。地面在接受太陽短波輻射而增溫的同時，也時時刻刻向外輻射電磁波而冷卻。地球發射的電磁波長因為溫度較低而較長，稱為地面長波輻射。短波輻射和長波輻射在經過地球大氣時的遭遇是不同的：大氣對太陽短波輻射幾乎是透明的，卻強烈吸收地面長波輻射。大氣在吸收地面長波輻射的同時，它自己也向外輻射波長更長的長波輻射（因為大氣的溫度比地面更低）。其中向下到達地面的部分稱為逆輻射。地面接受逆輻射後就會升溫，或者說大氣對地面起到了保溫作用。這就是大氣溫室效應的原理。

形成過程

有人認為，大氣是在地球上誕生後，由於火山活動逐漸從地殼中滲透出來的。在原始大氣中，氧的含量非常少，而二氧化碳很多。後來，綠色植物出現在陸地上，通過光合作用，逐漸使原始大氣變成了我們認識到的樣子。

大氣

過去人們認為地球大氣是很簡單的，直到十九世紀末才知道地球上的大氣是由多種氣體組成的混合體，並含有水汽和部分雜質。它的主要成分是氮、氧、氬等。在80-100公里以下的低層大氣中，氣體成分可分為兩部分：一部分是“不可變氣體成分”，主要指氮、氧、氬三種氣體。這幾種氣體成分之間維持固定的比例，基本上不隨時間、空間而變化。另一部分為“易變氣體成分”，以水汽、二氧化碳和臭氧為主，其中變化最大的是水汽。總之，大氣這種含有各種物質成分的混合物，可以大致分為乾潔空氣、水汽、微粒雜質和新的污染物。

乾潔大氣成份

乾潔空氣是指大氣中除去水汽、液體和固體微粒以外的整個混合氣體，簡稱乾空氣。它的主要成分是氮、氧、氬、二氧化碳等，其容積含量占全部乾潔空氣的99.99%以上。其餘還有少量的氫、氖、氪、氙、臭氧等。

成份表

氣 體	按容積百分比	按質量百分比	分子量
氮	78.084	75.52	28.0134
氧	20.948	23.15	31.9988
氬	0.934	1.28	39.948
二氧化碳	0.033	0.05	44.0099

水汽

水汽在大氣中含量很少，但變化很大，其變化範圍在0-4%之間，水汽絕大部分集中在低層，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約占全部水汽總量的99%。

大氣

大氣中的水汽來源於下墊面，包括水面、潮濕物體表面、植物葉面的蒸 發。由於大氣溫度遠低於水面的沸點，因而水在大氣中有相變效應。水汽含量在大氣中 變化很大，是天氣變化的主要角色，雲、霧、雨、雪、霜、露等都是水汽的各種形態。 水汽能強烈地吸收地表發出的長波輻射，也能放出長波輻射，水汽的蒸發和凝結又能吸收和放出潛熱，這都直接影響到地面和空氣的溫度，影響到大氣的運動和變化。

雜質和微粒

大氣中除了氣體成分以外，還有很多的液體和固體雜質、微粒。雜質是指來源於火山爆發、塵沙飛揚、物質燃燒的顆粒、流星燃燒所產生的細小微粒和海水飛濺揚入大氣後而被蒸發的鹽粒，還有細菌、微生物、植物的孢子花粉等。它們多集中於大氣的底層。

液體微粒，是指懸浮於大氣中的水滴、過冷水滴和冰晶等水汽凝結物。

大氣中雜質、微粒，聚集在一起，直接影響大氣的能見度。但它能充當水汽凝結的核心，加速大氣中成雲致雨的過程；它能吸收部分太陽輻射，又能削弱太陽直接輻射和阻擋地面長波輻射，對地面和大氣的溫度變化產生了一定的影響。

大氣

物質循環

大氣中各種成分與萬物的關係

首先是大氣中的水分通過降水進入土壤，滋養地面萬物，土壤中水一方面通過植物的呼吸和蒸發以及土壤本身的蒸發排放到大氣中，另一部分與植物和有機物的碳，氮，硫，磷元素產生生物化學反應，通過呼吸與分解又向大氣排放二氧化碳，第三部分成為地表河流與地下水，在他們流向海洋的過程中遇到動物排泄的糞便，產生生物化學反應，這些反應物與陸地上的碳，氮，硫，磷一起流入海洋，成為海洋生物的養分的一個來源，海洋生物的呼吸與分解又把二氧化碳排放到大氣中。大氣中二氧化碳的另一個來源是人類燃燒礦物化石（煤，石油，天然氣等）。大氣的二氧化碳通過光和作用成為陸地植物，海洋浮游植物的成分，同時上述生物向大氣排放氧氣。

實際大氣中除了氣體成份之外，還有各種各樣的固體、液體微粒。稱懸浮著液體、固體粒子的氣體為氣溶膠，懸浮在氣體介質中沉降速度很小的液體和固體粒子稱為氣溶膠粒子，簡稱氣溶膠；包括塵埃、煙粒、海鹽顆粒、微生物、植物 孢子、花粉等，不包括雲、霧、冰晶、雨雪等水成物。最小的氣溶膠粒子基本上由燃燒產生，如燃燒的煙粒，工業的粉塵，森林火災，火山爆發等，也有宇宙塵埃。大粒子和巨粒子的氣溶膠粒子可由風颳起的塵埃、植物孢子和花粉或海面波浪氣泡破裂產生。

氣溶膠粒子可以吸附或溶解大氣中某些微量氣體，產生化學反應，污染大氣。氣溶膠粒子還能吸附和散射太陽輻射，改變大氣輻射平衡狀態，或影響大氣能見度。

大氣環境保護

(1)全球變暖

原因：二氧化碳的增多而使氣溫升高

二氧化碳增多的原因：①大量燃燒礦物燃料，②毀林

危害：①海平面上升，淹沒陸地

②改變各地降水狀況和乾濕狀況，導致世界各國經濟結構的變化

保護措施：①提高能源的利用技術和能源利用效益，採用新能源

②努力加強國際合作

(2)臭氧層的破壞與保護

原因：除了自然原因以外，主要是人類使用製冷設備排放的氟氯烴

危害：①危害人體健康，②對生態環境和農林牧漁業造成破壞

保護措施：減少並逐步禁止氟氯烴等消耗臭氧物質的排放，加強國際合作

(3)酸雨

概念：人們一般把PH值小於5.6的雨水稱為酸雨

成因：燃燒礦物排放的大量二氧化硫和氮氧化物等酸性氣體

危害：河湖水酸化，土壤酸化，危害森林和農作物生長，腐蝕建築和文物古蹟等

防治措施：防治酸雨最根本的措施是減少人為硫氧化合物和氮氧化合物的排放，我國已經採取了發展潔淨煤技術、清潔燃燒技術等措施來控制酸雨。