大氣層

大氣層

大氣層(atmosphere),又叫大氣圈或者大氣,是星球表面上的空氣,因為星球引力影響,在星球表面積蓄而成的一圈氣體。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出不同的特點,分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層,再上面就是星際空間了。

基本信息

基本含義

對流層在大氣層的最低層,緊靠地球表面,其厚度大約為10至20千米。對流層的大氣受地球影響較大,雲、霧、雨等現象都發生在這一層內,水蒸氣也幾乎都在這一層記憶體在,還存在大部分的固體雜質。這一層的氣溫隨高度的增加而降低,大約每升高1000米,溫度下降5~6℃;動、植物的生存,人類的絕大部分活動,也在這一層內,因為這一層的空氣對流很明顯,故稱對流層。對流層以上是平流層,大約距地球表面20至50千米。平流層的空氣比較穩定,大氣是平穩流動的,故稱為平流層。在平流層內水蒸氣和塵埃很少,並且在30千米以下是同溫層,其溫度在-55℃左右,溫度基本不變,在30千米至50千米內溫度隨高度增加而略微升高。平流層以上是中間層,大約距地球表面50至85千米,這裡的空氣已經很稀薄,突出的特徵是氣溫隨高度增加而迅速降低,空氣的垂直對流強烈。中間層以上是暖層,大約距地球表面100至800千米,最突出的特徵是當太陽光照射時,太陽光中的紫外線被該層中的氧原子大量吸收,因此溫度升高,故稱暖層。散逸層在暖層之上,為帶電粒子所組成。

大氣層大氣層

大氣層又稱大氣圈,是因重力關係而圍繞著地球的一層混合氣體,是地球最外部的氣體圈層,包圍著海洋和陸地,大氣圈沒有確切的上界,在離地表2000~16000公里高空仍有稀薄的氣體和基本粒子,在地下,土壤和某些岩石中也會有少量氣體,它們也可認為是大氣圈的一個組成部分,地球大氣的主要成分為氮、氧、氬、二氧化碳和不到0.04%比例的微量氣體,這些混合氣體被稱為空氣,地球大氣圈氣體的總質量約為5.136×10^21克,相當於地球總質量的0.86%,由於地心引力作用,幾乎全部的氣體集中在離地面100公里的高度範圍內,其中75%的大氣又集中在地面至10公里高度的對流層範圍內,根據大氣溫度垂直分布和運動特徵,在對流層之上還可分為平流層、中氣層、增溫層等。大氣層保護地表避免太陽輻射直接照射,尤其是紫外線;也可以減少一天當中極端溫差的出現。
除此之外,還有兩個特殊的層,即臭氧層和電離層。臭氧層距地面20至30千米,實際介於對流層和平流層之間。這一層主要是由於氧分子受太陽光的紫外線的光化作用造成的,使氧分子變成了臭氧。電離層很厚,大約距地球表面80千米以上。電離層是高空中的氣體,被太陽光的紫外線照射,電離層由帶電荷的正離子和負離子及部分自由電子形成的。電離層對電磁波影響很大,我們可以利用電磁短波能被電離層反射回地面的特點,來實現電磁波的遠距離通訊。
在地球引力作用下,大量氣體聚集在地球周圍,形成數千公里的大氣層。氣體密度隨離地面高度的增加而變得愈來愈稀薄。探空火箭在3000公里高空仍發現有稀薄大氣,有人認為,大氣層的上界可能延伸到離地面6400公里左右。據科學家估算,大氣質量約6000萬億噸,差不多占地球總質量的百萬分之一。大氣體積成分:氮78%、氧21%、氬0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%,此外還有水汽、塵埃、氣溶膠及大粒度懸浮顆粒。由於地磁場的保護作用,使得大氣層在太陽風及宇宙高能射線流的刮蝕作用下得以保存。
根據各層大氣的不同特點(如溫度、成分及電離程度等),從地面開始依次分為對流層、臭氧層、平流層、中間層、熱層(電離層)和外大氣層。
自然狀態下,大氣是由混合氣體、水汽和雜質組成。除去水汽和雜質的空氣稱為乾潔空氣。乾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為是不變化的,稱為恆定組分。
在乾潔空氣中,易變的成分是二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)等,這些氣體受地區、季節、氣象以及人類生活和生產活動的影響。正常情況下,二氧化碳含量在20km以上明顯減少。近地層乾潔空氣組成如表1-1-1所示。
表1-1-1 乾潔空氣的氣體成分

氣體 體積分數? 氣體 體積分數
(×10) ?(×10)    
780 900 1
209 400 一氧化氮 1.5
9 300 1.5
二氧化碳 315 1.08
18 二氧化氮 1.02
甲烷 1.0~1.2    
大氣中組分是不穩定的,無論是自然災害,還是人為影響,會使大氣中出現新的物質,或某種成分的含量過多地超出了自然狀態下的平均值,或某種成分含量減少,都會影響生物的正常發育和生長,給人類造成危害,這是環境保護工作者應研究的主要對象。

層次

對流層

大氣層大氣層

對流層(troposphere;convectionzone)。定義1:大氣最下層,厚度(8~17公里)隨季節和緯度而變化,隨高度的增加平均溫度遞減率為6.5℃/公里,有對流和湍流。天氣現象和天氣過程主要發生在這一層。套用學科:大氣科學(一級學科);大氣(二級學科)。定義2:恆星內部冷熱氣體不斷升降對流的區域。套用學科:天文學(一級學科);天體物理(二級學科)。 
地球對流層(troposphere)位於大氣的最低層,集中了約75%的大氣質量和90%以上的水汽質量。其下界與地面相接,上界高度隨地理緯度和季節而變化。在低緯度地區平均高度為17~18公里,在中緯度地區平均為10~12公里,極地平均為8~9公里,並且夏季高於冬季。
對流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。它的高度因緯度而不同,在低緯度地區大約17至18公里,在中緯度的地區高10至12公里,在高緯度地區只有8至9公里。在高緯度的地區,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。
英語裡的對流層一字“Troposphere”的字首,是由希臘語的“Tropos”(意即“鏇轉”或“混合”)引伸而來。正因對流層是大氣層中湍流最多的一層,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。
在宇宙中恆星也有對流層,太陽內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太陽大氣層的底部,這一區間叫對流層。這一層氣體性質變化很大,很不穩定,形成明顯的上下對流運動。這是太陽內部結構的最外層。
接近地球表面的一層大氣層,空氣的移動是以上升氣流和下降氣流為主的對流運動,叫做“對流層”。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,總質量占大氣層的四分之三還要多。大氣中的水汽幾乎都集中於此,是展示風雲變幻的“大舞台”:颳風、下雨、降雪等天氣現象都是發生在對流層內。對流層最顯著的特點是有強烈的對流運動。
該層有如下特點:
(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:因為岩石圈與水圈的表面被太陽曬熱,而熱輻射將下層空氣烤熱,冷熱空氣發生垂直對流,又由於地面有海陸之分、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生的有毒物質進入空氣層,故該層中除氣流做垂直和水平運動外,化學過程十分活躍,並伴隨氣團變冷或變熱,水汽形成等一系列天氣現象。

平流層

平流層(stratosphere),又稱同溫層。定義1:從對流層頂到約50公里高度的大氣層。層內溫度通常隨高度的增加而遞增。底部溫度隨高度變化不大。套用學科:大氣科學(一級學科);大氣(二級學科)。定義2:距地表約10~50公里處的大氣層。位於對流層之上,逸散層之下。套用學科:生態學(一級學科);全球生態學(二級學科);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,當中高溫層置於頂部,而低溫層置於低部。它與位於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,平流層位於離地表10~50公里的高度,而在極地,此層則始於離地表8公里左右。
對流層上面,直到高于海平面50公里這一層,氣流主要表現為水平方向運動,對流現象減弱,這一大氣層叫做“平流層”,又稱“同溫層”。這裡基本上沒有水汽,晴朗無雲,很少發生天氣變化,適於飛機航行。在20~30公里高處,氧分子在紫外線作用下,形成臭氧層,像一道屏障保護著地球上的生物免受太陽紫外線及高能粒子的襲擊。

中間層

中間層(Mesosphere),又稱中層。自平流層頂到85公里之間的大氣層。
該層內因臭氧含量低,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後可發生電離,習慣上稱為電離層的D層;有時在高緯度地區夏季黃昏時有夜光雲出現。
物質組成: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的電離層,叫做D層。

電離層

大氣層大氣層

電離層(Ionosphere)/暖(熱)層(Thermosphere)。
電離層是地球大氣的一個電離區域。60公里以上的整個地球大氣層都處於部分電離或完全電離的狀態,電離層是部分電離的大氣區域,完全電離的大氣區域稱磁層。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。
該層特點是:
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,其中存在相當多的自由電子和離子,能使無線電波改變傳播速度,發生折射、反射和散射,產生極化面的鏇轉並受到不同程度的吸收。
在電離作用產生自由電子的同時,電子和正離子之間碰撞複合,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,氣體保持不導電性質。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,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。電離層內任一點上的電子密度,決定於上述自由電子的產生、消失和遷移三種效應。在不同區域,三者的相對作用和各自的具體作用方式也大有差異。
中間層以上,到離地球表面500公里,叫做“熱層”。在這兩層內,經常會出現許多有趣的天文現象,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。這裡的溫度很高,可達數千度;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域,外面沒有什麼明顯的邊界。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,約有9~10個地球半徑高,換句話說,大約有65000千米高。在這裡空氣極其稀薄。
通常把1000公里之內,即電離層之內作為大氣的高度,即大氣層厚1000公里。

化學演化

地球大氣圈的成分和各組分的分壓有著極其複雜的演化過程。地球不同於金星和火星。金星的質量近於地球,由於距太陽較近,表面溫度高,內部除氣所產生的水蒸氣不能在表面凝結成水圈,CO2、SO2、H2S、NO、NO2等積累滯留在大氣圈內形成稠密的CO2大氣圈。火星距太陽較地球遠,表面溫度低,加之質量較小,氣體易於逃逸,火星內部除氣過程釋出的氣體,不能凝結成水體,只能形成極稀薄的CO2大氣圈。地球的大氣圈、水圈、生物圈和岩石圈具有協調的形成和演化過程。地球內部除氣作用釋出的主要氣體為水蒸氣、CO2、CO、HCl、CI2、HF、HBr、H2S、S、SO2、N2、H2、H、O2、CH4、NH3和稀有氣體等。O2主要來源於水蒸氣的光化學分解和綠色植物的光合作用。地球內部物質的熔融除氣過程,大約共釋放1.74×1018噸揮發性物質,其中CO2約1.22×1015噸。地球初始的大氣圈屬於具有火山氣體成分的強還原性大氣圈。通過水蒸氣的凝結,原始的海洋水成為強酸性水體。隨著海洋水體的增大,大氣圈中CO2的積累,太古宙的地球大氣圈演化為CO2-火山氣體大氣圈。隨著水圈中碳酸鹽的沉積,大氣圈中CO2分壓降低,演化為元古宙的弱氧化的CO2大氣圈。顯生宙生物的繁殖,碳酸鹽沉積量的增長和植物的出現,CO2大氣圈逐步演化為現今的N2-O2大氣圈。

層序 高度 溫度分布變化
對流層 0~17千米 隨著高度的增加而降低
平流層 17~50千米 隨著高度的增加而升高
中間層 50~80千米 隨著高度的增加而降低
暖層 80~500千米 隨著高度的增加而升高
外層 500~1000千米 隨著高度的增加而升高
在宇宙行星中都有大氣層,大型行星比地球的大氣層厚,成分有的多,有的少。
人類的活動使地球大氣圈中CO2含量明顯增加,每年通過煤和石油的燃燒產生的CO2總量為6.2×10^9噸,相當於現今大氣圈中CO2含量的1/250。溫室效應的增長,臭氧層的破壞,一系列環境生態的惡化,對人類的生存環境提出了嚴重的挑戰。“全球變化──地圈和生物圈十年”計畫已成為當代科學研究的焦點,全世界的科學家將為人類生存環境的演化和預測提出科學對策。

太陽

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