大气

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[拼音]：daqi

[外文]：atmosphere

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。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、氮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（见彩图）。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

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（见地球大气演化）。

大气成分

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。

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。

图

（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（见人类活动对气候的影响）。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（见温室效应）。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（见大气臭氧层）。

（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（图1）。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（见大气吸收光谱）。

图1

（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（见大气微量气体）。

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

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（图2）。

图2

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（图3）。磁层顶即作为地球大气的上界。

图3

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。

参考书目
  1. W.W.Vaughan，L.L.DeVries，eds，The Earth's Atmo-sphere，American Institute of Aeronautics and Astronautics，New York，1972. H.D.Holland，The Chemistry of the Atmosphere andOceans，John Wiley & Sons，New York，1978.
  2. J. M. 华莱士、P. V. 霍布斯著，王鹏飞等译：《大气科学概观》，上海科学技术出版社，上海，1981。(J.M.Wallace，P.V.Hobbs， Atmospheric Science: An Introductory Survey，Academic Press，New York，1977.)

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