事業(yè)單位公共基礎(chǔ)知識：地球的呼吸——大氣層

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大氣層(atmosphere)，氣象學(xué)專業(yè)術(shù)語，地球就被這一層很厚的大氣層包圍著。大氣層的成分主要有氮氣，占78.1%;氧氣占20.9%;氬氣占0.93%;還有少量的二氧化碳、稀 有氣體(氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣)和水蒸氣。大氣層的空氣密度隨高度而減小，越高空氣越稀薄。大氣層的厚度大約在1000千米以上，但沒有明顯的界限。整個大氣層隨高度不同表現(xiàn)出不同的特點，分為對流層、平流層、臭氧層、中間層、熱層和散逸層，再上面就是星際空間了。

大氣

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，并且一刻也離不開大氣。大氣為地球生命的繁衍，人類的發(fā)展，提供了理想的環(huán)境。它的狀態(tài)和變化，時時處處影響到人類的活動與生存。

自然狀態(tài)下，大氣是由混合氣體、水汽和雜質(zhì)組成。除去水汽和雜質(zhì)的空氣稱為干潔空氣。干潔空氣的主要成分為78.09%的氮20.94%的氧，0.93%的氬。這三種氣體占總量的99.96%，其它各項氣體含量計不到0.1%，這些微量氣體包括氖、氦、氪、氙等稀有氣體。在近地層大氣中上述氣體的含量幾乎可認(rèn)為是不變化的，稱為恒定組分。

在干潔空氣中，易變的成分是二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)等，這些氣體受地區(qū)、季節(jié)、氣象以及人類生活和生產(chǎn)活動的影響。正常情況下，二氧化碳含量在20km以上明顯減少。

對流層

定義：大氣最下層，厚度(8～17公里)隨季節(jié)和緯度而變化，隨高度的增加平均溫度遞減率為6.5℃/公里，有對流和湍流。天氣現(xiàn)象和天氣過程主要發(fā)生在這一層。

位置：位于大氣的最低層，從地球表面開始向高空伸展，直至對流層頂，即平流層的起點為止。平均厚度約為12公里，它的厚度不一，其厚度在地球兩極上空為8公里，在赤道上空為17公里，是大氣中最稠密的一層，集中了約75%的大氣質(zhì)量和90%以上的水汽質(zhì)量。

下界與地面相接，上界高度隨地理緯度和季節(jié)而變化。它的高度因緯度而不同，在低緯度地區(qū)平均高度為17～18公里，在中緯度地區(qū)平均為10～12公里，高緯度地區(qū)平均為8～9公里，并且夏季高于冬季。在高緯度的地區(qū)，因為地表的摩擦力會影響氣流，形成了一個平均厚2公里的行星邊界層。這一層的形成主要依靠地形而有所不同，而且亦會被逆流層的分隔而與對流層的其他部份分開。

特點：

(1)溫度隨高度的增加而降低：這是因為該層不能直接吸收太陽的短波輻射，但能吸收地面反射的長波輻射而從下墊面加熱大氣。因而靠近地面的空氣受熱多，遠(yuǎn)離地面的空氣受熱少。每升高1公里，氣溫約下降6.5度。

(2)空氣對流：因為巖石圈與水圈的表面被太陽曬熱，而熱輻射將下層空氣烤熱，冷熱空氣發(fā)生垂直對流，又由于地面有海陸之分、晝夜之別以及緯度高低之差，因而不同地區(qū)溫度也有差別，這就形成了空氣的水平運動。

(3)溫度、濕度等各要素水平分布不均勻：大氣與地表接觸，水蒸氣、塵埃、微生物以及人類活動產(chǎn)生的有毒物質(zhì)進(jìn)入空氣層，故該層中除氣流做垂直和水平運動外，化學(xué)過程十分活躍，并伴隨氣團(tuán)變冷或變熱，水汽形成雨、雪、雹、霜、露、云、霧等一系列天氣現(xiàn)象。

擴展：正因?qū)α鲗邮谴髿鈱又型牧髯疃嗟囊粚�，噴射客機大多會飛越此層頂部(即對流層頂)用以避開影響飛行安全的氣流。

在宇宙中恒星也有對流層，太陽內(nèi)部能量向外傳播除輻射，還有對流過程。即從太陽0.71個太陽半徑向外到達(dá)太陽大氣層的底部，這一區(qū)間叫對流層。這一層氣體性質(zhì)變化很大，很不穩(wěn)定，形成明顯的上下對流運動。這是太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最外層。

平流層

定義：

1：從對流層頂?shù)郊s50公里高度的大氣層。層內(nèi)溫度通常隨高度的增加而遞增。底部溫度隨高度變化不大。

2：距地表約10～50公里處的大氣層。位于對流層之上，逸散層之下。平流層(stratosphere)，亦稱同溫層，是地球大氣層里上熱下冷的一層，此層被分成不同的溫度層，當(dāng)中高溫層置于頂部，而低溫層置于底部。它與位于其下貼近地表的對流層剛好相反，對流層是上冷下熱的。在中緯度地區(qū)，平流層位于離地表10~50公里的高度，而在極地，此層則始于離地表8公里左右。

特殊：對流層上面，直到高于海平面50公里這一層，氣流主要表現(xiàn)為水平方向運動，對流現(xiàn)象減弱，這一大氣層叫做“平流層”，又稱“同溫層”。這里基本上沒有水汽，晴朗無云，很少發(fā)生天氣變化，適于飛機航行。在20~30公里高處，氧分子在紫外線作用下，形成臭氧層，像一道屏障保護(hù)著地球上的生物免受太陽紫外線及高能粒子的襲擊。

臭氧層

定義：大氣層的平流層中臭氧濃度相對較高的部分，其主要作用是吸收短波紫外線。大氣層的臭氧主要以紫外線打擊雙原子的氧氣，把它分為兩個原子，然后每個原子和沒有分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不穩(wěn)定，紫外線照射之后又分為氧氣分子和氧原子，形成一個繼續(xù)的過程臭氧氧氣循環(huán)，如此產(chǎn)生臭氧層。自然界中的臭氧層大多分布在離地20—50千米的高空。臭氧層中的臭氧主要是紫外線制造

作用：大氣臭氧層主要有三個作用。

一為保護(hù)作用，臭氧層能夠吸收太陽光中的波長306.3μm以下的紫外線，保護(hù)地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。只有長波紫外線UV-A和少量的中波紫外線UV-B能夠輻射到地面，長波紫外線對生物細(xì)胞的傷害要比中波紫外線輕微得多。所以臭氧層猶如一件保護(hù)傘保護(hù)地球上的生物得以生存繁衍。

二為加熱作用，臭氧吸收太陽光中的紫外線并將其轉(zhuǎn)換為熱能加熱大氣，由于這種作用大氣溫度結(jié)構(gòu)在高度50km左右有一個峰，地球上空15～50km存在著升溫層。正是由于存在著臭氧才有平流層的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧氣，所以也就不存在平流層。大氣的溫度結(jié)構(gòu)對于大氣的循環(huán)具有重要的影響，這一現(xiàn)象的起因也來自臭氧的高度分布。

三為溫室氣體的作用，在對流層上部和平流層底部，即在氣溫很低的這一高度，臭氧的作用同樣非常重要。如果這一高度的臭氧減少，則會產(chǎn)生使地面氣溫下降的動力。

中間層

定義：自平流層頂?shù)?5公里之間的大氣層。

該層內(nèi)因臭氧含量低，同時，能被氮、氧等直接吸收的太陽短波輻射已經(jīng)大部分被上層大氣所吸收，所以溫度垂直遞減率很大，對流運動強盛。中間層頂附近的溫度約為190K;空氣分子吸收太陽紫外輻射后可發(fā)生電離，習(xí)慣上稱為電離層的D層;有時在高緯度地區(qū)夏季黃昏時有夜光云出現(xiàn)。

物質(zhì)組成：氮氣和氧氣為主，幾乎沒有臭氧。該層的60-90公里高度上，有一個只有在白天出現(xiàn)的電離層，叫做D層。

電離層

定義：是地球大氣的一個電離區(qū)域。60公里以上的整個地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，電離層是部分電離的大氣區(qū)域，完全電離的大氣區(qū)域稱磁層。也有人把整個電離的大氣稱為電離層，這樣就把磁層看作電離層的一部分。大約距地球表面10~80公里。散逸層在暖層之上，為帶電粒子所組成。

特點：除地球外，金星、火星和木星都有電離層。電離層從離地面約50公里開始一直伸展到約1000公里高度的地球高層大氣空域，其中存在相當(dāng)多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射，產(chǎn)生極化面的旋轉(zhuǎn)并受到不同程度的吸收。

在電離作用產(chǎn)生自由電子的同時，電子和正離子之間碰撞復(fù)合，以及電子附著在中性分子和原子上，會引起自由電子的消失。大氣各風(fēng)系的運動、極化電場的存在、外來帶電粒子不時入侵，以及氣體本身的擴散等因素，引起自由電子的遷移。在55公里高度以下的區(qū)域中，大氣相對稠密，碰撞頻繁，自由電子消失很快，氣體保持不導(dǎo)電性質(zhì)。在電離層頂部，大氣異常稀薄，電離的遷移運動主要受地球磁場的控制，稱為磁層。

電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成分等空間分布的基本參數(shù)來表示。但電離層的研究對象主要是電子密度隨高度的分布。電子密度(或稱電子濃度)是指單位體積的自由電子數(shù)，隨高度的變化與各高度上大氣成分、大氣密度以及太陽輻射通量等因素有關(guān)。中間層以上，到離地球表面500公里，叫做“熱層”。在這兩層內(nèi)，經(jīng)常會出現(xiàn)許多有趣的天文現(xiàn)象，如極光、流星等。

外層

外層(Exosphere)，又名散逸層，熱層頂以上是外大氣層，延伸至距地球表面1000公里處。這里的溫度很高，可達(dá)數(shù)千度;大氣已極其稀薄，其密度為海平面處的一億億分之一。外大氣層也叫磁力層，它是大氣層的最外層，是大氣層向星際空間過渡的區(qū)域，外面沒有什么明顯的邊界。在通常情況下，上部界限在地磁極附近較低，近磁赤道上空在向太陽一側(cè)，約有9~10個地球半徑高，換句話說，大約有65000千米高。在這里空氣極其稀薄。通常把1000公里之內(nèi)，即電離層之內(nèi)作為大氣的高度，即大氣層厚1000公里。

大氣對地面的保溫作用

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(fā)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(dá)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(diào)節(jié)地球表面溫度的作用。這種作用就是大氣的保溫作用。

大氣削弱作用

當(dāng)太陽輻射通過大氣層到達(dá)地面的過程中，由于大氣對它有一定的吸收、散射和反射作用，使到達(dá)地面的總輻射有明顯削弱，特別是波長短的輻射能削弱顯著，這種現(xiàn)象稱為大氣削弱作用或衰減作用。

吸收作用

大氣對太陽輻射的吸收具有選擇性。對流層大氣中的水汽和二氧化碳吸收紅外線，平流層中的臭氧吸收紫外線。大氣對太陽輻射中能量最強的可見光部分吸收很少，絕大部分的太陽輻射能量能夠到達(dá)地面!

反射作用

主要是大氣中的云層和顆粒較大的塵埃會將一部分太陽輻射反射到宇宙中去，這種反射無選擇性。云層越厚，反射作用越強。夏季，多云的白天氣溫不高，就是這個原因。

散射作用

空氣分子和微塵把太陽輻射向四面八方散射開來，是一部分太陽輻射不能到達(dá)地面，從而削弱了太陽輻射。大氣對太陽輻射的散射所用具有選擇性。晴朗的天空呈現(xiàn)蔚藍(lán)色，日出前的黎明、日落后的黃昏以及陰天時天空仍是明亮的，都是大氣散射的結(jié)果。

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