书城科普读物日益重要的环境科学(科普知识大博览)
14009400000011

第11章 大气

大气的结构

地球的最外层被一层总质量约为39×1015吨的混合气体包围着,它只占地球憩质量的百万分之一。大气质量在垂直方向的分布是极不平均的,由于受地心引力的作用,大气的质量主要集中在下部,50%的质量集中在离地面5千米以下,75%集中在10千米以下,90%集中在30千米以下的范围内。高度100千米以上,空气的质量仅是整个大气圈质量的百万分之一。根据大气在垂直方向上温度、化学成分、荷电等物理性质的差异,同时考虑到大气的垂直运动状况,可将大气圈分为五层。

对流层对流层是大气的最低层,其厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为17~18千米;在中纬度区为10~12千米;两极附近高纬度区为8~9千米。夏季较厚,冬季较薄。这一层的显著特点是:①气温随高度升高而递减。在对流层,大约每上升100米,温度降低06℃。由于贴近地面的空气受地面辐射增温的影响而膨胀上升,上面冷空气下沉,所以在垂直方向上形成强烈的对流。②大气密度大。大气总质量的3/4以上集中在对流层。

在对流层中,因受地表的影响不同,又可分为两层。在1~2千米以下,因受地表机械、热力强烈作用的影响,通称为摩擦层或边界层,亦称低层大气。排入大气的污染物绝大部分活动在此层。在1~2千米以上,受地表影响变小,称为自由大气层,主要天气过程如雨、雪、雹的形成均出现在此层。对流层和人类的关系最为密切。

平流层对流层顶到约50~55千米的大气层为平流层,厚度约为38千米。在平流层下层,即30~35千米以下,温度随高度降低变化较小,气温趋于稳定;到30~35千米处时的温度约为-55℃,所以又称同温层;在30~35千米以上,温度随高度升高而上升,到平流层顶升至-3℃以上。这是因为,在高约15~35千米的范围内,有厚约20千米的一层臭氧层。因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力,同时在紫外线的作用下可被分解为原子氧和分子氧,当这些原子氧和分子氧重新化合生成臭氧时,可以热的形式释放出大量的能量,使平流层的温度升高。在平流层中空气没有对流运动,平流运动占显著优势,空气比下层稀薄得多且干燥,水汽、尘埃的含量甚微,大气透明度好,很难出现云、雨等天气现象。

中间层从平流层顶到80千米高度这一层称为中间层,在这一层里有强烈的垂直对流运动,气温随高度增加而下降,中间层顶温可降至-113~-83℃。

热成层中间层之上为热成层,有时也称为暖层,上界达800千米。该层的下部基本上是由分子氮所组成,而上部是由原子氧所组成。原子氧层可吸收太阳辐射出的紫外线,因而在这层中的气体温度随高度增加而迅速上升。由于太阳和宇宙射线的作用,该层大部分空气分子发生电离,使其具有较高密度的带电粒子,故称为电离层。电离层能将电磁波反射回地球,故对全球性的无线电通信有重大意义。

逸散层这是大气圈的最外层,高度在800千米以上,厚度为15000~24000千米。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下,大部分分子发生电离,使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逸散层空气极为稀薄,其密度几乎与太空密度相同。由于空气受地心引力极小,气体及微粒可以从这层被碰撞出地球重力场而进入太空逸散。对逸散层的高度还没有一致的看法,实际上地球大气与星际空间具有相当厚的过渡层。该层的温度也是随高度增加而略有增加的。

大气的组成

大气是一种气体混合物,其中除含有各种气体元素及化合物外,还有水滴、冰晶、尘埃和花粉等杂质。因此,大气的组成包括以下几部分。

干洁空气所谓干洁空气是指在自然状态下的大气(由混合气体、水汽和杂质组成)除去水汽和杂质的空气,其主要成分是氮气,占7809%;氧气,占2094%;氩,占093%;其他各种的微量气体(如氖、氦、二氧化碳、氪)含量不到01%。可以看出,地球表面大气主要由氧、氮和几种惰性气体组成,它们约占空气总量的999%以上。除二氧化碳和臭氧外,其他组成在对流层的大气中是稳定的,甚至在平流层以至中间层,即约在90千米这段大气层里,这些气体组分的含量几乎可以认为是不变的。

干洁大气组成较稳定的主要原因,首先是分子态氮和惰性气体的性质不活泼。固氮作用所耗去的氮素基本上被反硝化作用形成的氮素所补充。自然界中由于燃烧、氧化、岩石风化、呼吸、有机物腐化分解所消耗的氧,基本上由植物光合作用释放的氧分子而得到补偿,所以干洁大气的组成维持相对稳定。

大气的可变组分主要是指大气中的二氧化碳和水蒸气等,这些气体的含量由于受地区、季节、气象,以及人们生活和生产活动等因素的影响而有所变化。在通常情况下,水蒸气的含量为0~4%,二氧化碳的含量为0033%。二氧化碳在大气中的含量虽然很低,但它是随季节和气象条件的改变而变化的,特别是在人类活动影响下引起的含量增加,正在作为一个重要的环境问题越来越引起人们的关注。

水汽大气中的水蒸气主要来自海水蒸发,少量来自江河、湖泊水的蒸发以及生物圈土壤和植物的蒸"腾"作用;大气中的水又可以通过凝结成降水而离开大气回到生物圈和水圈。因此,水汽含量也因为空间位置和季节的变化而改变,在热带地区有时竟达4%,而在南北极则不到01%。大气中的水汽含量不大,但对天气变化却起着重要的作用,因而也是大气中的重要组分之一。

悬浮颗粒大气中也含有一些固体及液体杂质,其密度大约为10~100mg/cm3,它们主要来源于土壤、岩石风化、火山爆发、宇宙尘埃、植物花粉以及海水飞沫等,形成自然界的尘埃及凝结核。

以上为大气的自然组成,或称为大气的本底。有了这个组成就可以很容易地判定大气中的外来污染物。若大气中某个组分的含量远远超过上述标准含量时,或自然大气中本来不存在的物质在大气中出现时,即可判定它们是大气的外来污染物。在上述各个组分中,一般不把水分含量的变化看作外来污染物。