2023事业单位公共基础知识：地球的呼吸——大气层

2023事业单位公共基础知识：地球的呼吸——大气层

　　大气层(atmosphere)，气象学专业术语，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气，占78.1%;氧气占20.9%;氩气占0.93%;还有少量的二氧化碳、稀 有气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气)和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、臭氧层、中间层、热层和散逸层，再上面就是星际空间了。

　　大气

　　大气是指在地球周围聚集的一层很厚的大气分子，称之为大气圈。像鱼类生活在水中一样，人类生活在地球大气的底部，并且一刻也离不开大气。大气为地球生命的繁衍，人类的发展，提供了理想的环境。它的状态和变化，时时处处影响到人类的活动与生存。

　　自然状态下，大气是由混合气体、水汽和杂质组成。除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。干洁空气的主要成分为78.09%的氮20.94%的氧，0.93%的氩。这三种气体占总量的99.96%，其它各项气体含量计不到0.1%，这些微量气体包括氖、氦、氪、氙等稀有气体。在近地层大气中上述气体的含量几乎可认为是不变化的，称为恒定组分。

　　在干洁空气中，易变的成分是二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)等，这些气体受地区、季节、气象以及人类生活和生产活动的影响。正常情况下，二氧化碳含量在20km以上明显减少。

　　对流层

　　定义：大气最下层，厚度(8～17公里)随季节和纬度而变化，随高度的增加平均温度递减率为6.5℃/公里，有对流和湍流。天气现象和天气过程主要发生在这一层。

　　位置：位于大气的最低层，从地球表面开始向高空伸展，直至对流层顶，即平流层的起点为止。平均厚度约为12公里，它的厚度不一，其厚度在地球两极上空为8公里，在赤道上空为17公里，是大气中最稠密的一层，集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽质量。

　　下界与地面相接，上界高度随地理纬度和季节而变化。它的高度因纬度而不同，在低纬度地区平均高度为17～18公里，在中纬度地区平均为10～12公里，高纬度地区平均为8～9公里，并且夏季高于冬季。在高纬度的地区，因为地表的摩擦力会影响气流，形成了一个平均厚2公里的行星边界层。这一层的形成主要依靠地形而有所不同，而且亦会被逆流层的分隔而与对流层的其他部份分开。

　　特点：

　　(1)温度随高度的增加而降低：这是因为该层不能直接吸收太阳的短波辐射，但能吸收地面反射的长波辐射而从下垫面加热大气。因而靠近地面的空气受热多，远离地面的空气受热少。每升高1公里，气温约下降6.5度。

　　(2)空气对流：因为岩石圈与水圈的表面被太阳晒热，而热辐射将下层空气烤热，冷热空气发生垂直对流，又由于地面有海陆之分、昼夜之别以及纬度高低之差，因而不同地区温度也有差别，这就形成了空气的水平运动。

　　(3)温度、湿度等各要素水平分布不均匀：大气与地表接触，水蒸气、尘埃、微生物以及人类活动产生的有毒物质进入空气层，故该层中除气流做垂直和水平运动外，化学过程十分活跃，并伴随气团变冷或变热，水汽形成雨、雪、雹、霜、露、云、雾等一系列天气现象。

　　扩展：正因对流层是大气层中湍流最多的一层，喷射客机大多会飞越此层顶部(即对流层顶)用以避开影响飞行安全的气流。

　　在宇宙中恒星也有对流层，太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。

　　平流层

　　定义：

　　1：从对流层顶到约50公里高度的大气层。层内温度通常随高度的增加而递增。底部温度随高度变化不大。

　　2：距地表约10～50公里处的大气层。位于对流层之上，逸散层之下。平流层(stratosphere)，亦称同温层，是地球大气层里上热下冷的一层，此层被分成不同的温度层，当中高温层置于顶部，而低温层置于底部。它与位于其下贴近地表的对流层刚好相反，对流层是上冷下热的。在中纬度地区，平流层位于离地表10~50公里的高度，而在极地，此层则始于离地表8公里左右。

　　特殊：对流层上面，直到高于海平面50公里这一层，气流主要表现为水平方向运动，对流现象减弱，这一大气层叫做“平流层”，又称“同温层”。这里基本上没有水汽，晴朗无云，很少发生天气变化，适于飞机航行。在20~30公里高处，氧分子在紫外线作用下，形成臭氧层，像一道屏障保护着地球上的生物免受太阳紫外线及高能粒子的袭击。

　　臭氧层

　　定义：大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。大气层的臭氧主要以紫外线打击双原子的氧气，把它分为两个原子，然后每个原子和没有分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又分为氧气分子和氧原子，形成一个继续的过程臭氧氧气循环，如此产生臭氧层。自然界中的臭氧层大多分布在离地20—50千米的高空。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造

　　作用：大气臭氧层主要有三个作用。

　　一为保护作用，臭氧层能够吸收太阳光中的波长306.3μm以下的紫外线，保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有长波紫外线UV-A和少量的中波紫外线UV-B能够辐射到地面，长波紫外线对生物细胞的伤害要比中波紫外线轻微得多。所以臭氧层犹如一件保护伞保护地球上的生物得以生存繁衍。

　　二为加热作用，臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，由于这种作用大气温度结构在高度50km左右有一个峰，地球上空15～50km存在着升温层。正是由于存在着臭氧才有平流层的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧气，所以也就不存在平流层。大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响，这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。

　　三为温室气体的作用，在对流层上部和平流层底部，即在气温很低的这一高度，臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少，则会产生使地面气温下降的动力。

　　中间层

　　定义：自平流层顶到85公里之间的大气层。

　　该层内因臭氧含量低，同时，能被氮、氧等直接吸收的太阳短波辐射已经大部分被上层大气所吸收，所以温度垂直递减率很大，对流运动强盛。中间层顶附近的温度约为190K;空气分子吸收太阳紫外辐射后可发生电离，习惯上称为电离层的D层;有时在高纬度地区夏季黄昏时有夜光云出现。

　　物质组成：氮气和氧气为主，几乎没有臭氧。该层的60-90公里高度上，有一个只有在白天出现的电离层，叫做D层。

　　电离层

　　定义：是地球大气的一个电离区域。60公里以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。大约距地球表面10~80公里。散逸层在暖层之上，为带电粒子所组成。

　　特点：除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

　　在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移。在55公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。

　　电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度(或称电子浓度)是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。中间层以上，到离地球表面500公里，叫做“热层”。在这两层内，经常会出现许多有趣的天文现象，如极光、流星等。

　　外层

　　外层(Exosphere)，又名散逸层，热层顶以上是外大气层，延伸至距地球表面1000公里处。这里的温度很高，可达数千度;大气已极其稀薄，其密度为海平面处的一亿亿分之一。外大气层也叫磁力层，它是大气层的最外层，是大气层向星际空间过渡的区域，外面没有什么明显的边界。在通常情况下，上部界限在地磁极附近较低，近磁赤道上空在向太阳一侧，约有9~10个地球半径高，换句话说，大约有65000千米高。在这里空气极其稀薄。通常把1000公里之内，即电离层之内作为大气的高度，即大气层厚1000公里。

　　大气对地面的保温作用

　　大气层就好像是一条毛毯，均匀地包住了整个地球，使整个地球就好象处在一个温室之中。白天灼热的太阳发出强烈的短波辐射，大气层能让这些短波光顺利地通过，而到达地球表面，使地表增温。晚上，没有了太阳辐射，地球表面向外辐射热量。因为地表的温度不高，所以辐射是以长波辐射为主，而这些长波辐射又恰恰是大气层不允许通过的，故地表热量不会丧失太多，地表温度也不会降得太低。这样，大气层就起到了调节地球表面温度的作用。这种作用就是大气的保温作用。

　　大气削弱作用

　　当太阳辐射通过大气层到达地面的过程中，由于大气对它有一定的吸收、散射和反射作用，使到达地面的总辐射有明显削弱，特别是波长短的辐射能削弱显著，这种现象称为大气削弱作用或衰减作用。

　　吸收作用

　　大气对太阳辐射的吸收具有选择性。对流层大气中的水汽和二氧化碳吸收红外线，平流层中的臭氧吸收紫外线。大气对太阳辐射中能量最强的可见光部分吸收很少，绝大部分的太阳辐射能量能够到达地面!

　　反射作用

　　主要是大气中的云层和颗粒较大的尘埃会将一部分太阳辐射反射到宇宙中去，这种反射无选择性。云层越厚，反射作用越强。夏季，多云的白天气温不高，就是这个原因。

　　散射作用

　　空气分子和微尘把太阳辐射向四面八方散射开来，是一部分太阳辐射不能到达地面，从而削弱了太阳辐射。大气对太阳辐射的散射所用具有选择性。晴朗的天空呈现蔚蓝色，日出前的黎明、日落后的黄昏以及阴天时天空仍是明亮的，都是大气散射的结果。