地球的外部圈层-大气圈

　　第二章  地球的外部圈层

　　从地表以上到地球大气的边界部位统称为地球的外部。地球的外部是由多种物质组成的一个综合体，既有有机物，也有无机物；既有气态物质，也有固态和液态物质。分布于地球外部的这些物质，并不是杂乱无章的，它经历了漫长的地质演化过程，现已形成了一些分布有序、物质构成有别的外部圈层。地球的外部圈层可分为大气圈、水圈和生物圈，它们各自形成一个围绕地表自行封闭的圈层体系。虽然各个圈层是一个单独的体系，但是它们之间是相互关联、相互影响、相互渗透、相互作用的，并共同促进地球外部环境的演化。

第一节  大气圈

　　大气圈（atmosphere）是因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层，是地球最外部的一个圈层。大气是人类和生物赖以生存必不可少的物质条件，也是使地表保持恒温和水分的保护层，同时也是促进地表形态变化的重要动力和媒介。

一、大气的组成

　　据估算，大气圈的总质量约5×1018kg，其中绝大部分分布在大气圈的下层。自然状态下的大气是多种气体的混合物，主要由氮、氧、二氧化碳、水及一些微量惰性气体组成。但是随着人类活动的日益增强和工业化的发展，大气中的有毒、有害物质和悬浮颗粒也明显增多。就大气的组成成分而言，可分为恒定组分、可变组分和不定组分3种。

（一）恒定组分

所谓的恒定组分是指在地球表面上任何地方其组成几乎是可以看成不变的成分。当然，所指的任何地方并不是整个大气圈，而是约90  km以下的低层大气。这个部位的干洁大气主要由氮（78.09％）、氧（20.94％）、氩（0.93％）组成，这三者共占大气总体积的99.96％。此外，还有氖、氦、氪、氡等少量的稀有气体（表2.1）。

表2.1  大气的气体组成

（二）可变组分

可变组分指大气中的二氧化碳、臭氧和水蒸汽。通常情况下，大气中二氧化碳含量为0.02％～0.04％，水蒸汽的含量为4％以下，臭氧约为0.01×10-6。但是这部分成分的含量是随季节、气象和人类活动的影响而发生变化。大气中的二氧化碳来源于自然界和人类活动。据研究，地质作用过程释放出的二氧化碳和动物呼出的二氧化碳，基本上与植物和海洋吸收之间保持动态平衡。目前大气中二氧化碳含量的猛增主要是由人类活动造成的。

（三）不定组分

不定组分系指大气中可有可无的成分，如尘埃、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、煤烟、金属粉尘等等。这部分物质在大气中含量变化非常之大，在一些工业密集的地区含量非常之高，常严重威胁人体健康。我们通常说的大气污染就是指这部分物质在大气中含量超过一定的标准。不定组分一是来源于自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的灾难；二是来源于人类的生活和生产活动。

二、大气圈的结构

大气圈的下界通常是指地表，但在地面以下的松散堆积物及某些岩石中也含有少量空气，它们是大气圈的地下部分，其深度一般小于3km；其上界并无明确的界限，一般认为在2000～3000km的高空向行星际尘埃的密度过渡。大气圈在垂直方向上的物理性质有显著的差异，根据温度、成分、电荷等物理性质，以及大气的运动特点，可将大气圈自地面向上依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层（图略）。

（一）对流层（troposphere）

对流层是大气圈最下面的一层，它的厚度随纬度而异，赤道附近厚17～18km，两极仅8～9km，平均厚度约11～13km。而且厚度还随季节变化，一般夏季较大，冬季较小。同大气圈总厚度相比，对流层是很薄的，但其质量却占大气圈总质量的  70％～75％，且集中了大气圈的几乎全部水汽和尘埃。对流层的主要特征是：①温度随高度增加而降低，一般平均每升高1km温度降低6℃，这称为大气降温率。这是由于对流层热量主要依靠吸收来自地面的长波辐射，因此距地面越高，所获得的热量越少；②空气具有强烈的对流运动，这是由于地面的不均匀加热而导致的不同纬度、不同高度的大气具有温度差与密度差造成大气相互流动，空气对流使地面的热量、水汽和杂质向高空输送，从而发生一系列天气现象，如风、雪、雨、云等；③气象要素水平分布不均匀，由于对流层受地表的影响较大，其温度、湿度的水平分布很不均匀，并由此而产生一系列物理过程，形成复杂的天气现象；④对流层受人类活动影响最显著，人类生产活动排放的大气污染物绝大部分都集中在该层中。

（二）平流层（stratosphere）

平流层是从对流层顶至35～55km高空的大气层，其质量约占大气圈总质量的20％。平流层的最显著特点是气流以水平方向运动为主，且因此而得名。平流层基本不含水汽和尘埃物质，不存在对流层中的各种天气现象。在该层的上部（30～55km）存在多层的含臭氧层，它能吸收来自太阳的99％以上对生命有害的紫外线，所以称它是地球生物的保护伞。平流层的温度，最初随高度的增加保持不变或略有上升，但升至30km以上时，由于臭氧吸收了大量紫外线，温度升得很快，到平流层顶时的气温升至-3～17℃。

（三）中间层（mesophere）

自平流层顶至85km左右高空的大气层。由于这里没有臭氧吸收太阳辐射的紫外线，气温随高度增大而迅速下降，至中间层顶界气温降到-83～-113℃。由于下热上冷，再次出现空气的垂直运动。该层的顶部已出现弱的电离现象。

（四）暖层（thermosphere）

又称电离层（ionosphere），为从中间层顶到800km的高空。该层的空气已很稀薄，质量只占大气总质量的0.5％。该层的空气质点在太阳辐射和宇宙高能粒子作用下，温度迅速增高，再次出现随高度上升气温增高的现象。据人造卫星观测，到500km处温度高达1201℃，500km以上温度变化不大。同时，因紫外线及宇宙射线的作用，氧、氦被分解为原子，并处于电离状态，按电离程度可分为几个电离层，各层能反射不同波长的无线电波，故在远距离短波无线电通迅方面具有重要意义。

（五）散逸层（exosphere）

也称外逸层，位于800km以上至2000～3000km的高空，空气已极为稀薄。本层是大气圈与星际空间的过渡地带，其温度也随高度的增加而升高。因离地面太远，地球引力作用弱，空气粒子运动速度很快，所以气体质点不断向外扩散。

三、大气的热状况

大气的热量分布状况是产生各种大气现象和过程的根本原因。

（一）大气的受热过程

炽热的太阳以电磁波的形式源源不断地向宇宙空间放射能量称为太阳辐射。太阳辐射的能量主要集中在波长较短的可见光部分，所以人们把太阳辐射称为短波辐射（图略）。

太阳辐射是地球表面最主要的能量来源。太阳辐射到达地球，首先进入大气圈。在经过大气时，平流层中的臭氧能强烈地吸收波长较短的紫外线；对流层中的水汽和二氧化碳等主要吸收波长较长的红外线；但能量最多的可见光却很少被大气吸收。所以大部分可见光能够穿透大气射到地面上来。可见，大气直接吸收的太阳辐射能量是很少的（约为19％）。

当太阳辐射到达地面后，地面吸收了近一半（约为  47％）的太阳辐射能量（图略），地面温度增高，同时地面也以电磁波的形式向外辐热量。地面辐射的能量主要集中在红外线部分，属于长波辐射。地面辐射极易被对流层中的水汽和二氧化碳所吸收。据观测，近地面的大气能够吸收地面辐射的75％～95％。可见低层大气增温的直接热源是地面辐射。

（二）气温的日变化、年变化和水平分布

气温是指大气的温度。我国气温的单位统一使用摄氏度（℃）。

在同一地点，由于地球的自转使太阳辐射强度发生昼夜更替，从而导致气温日变化。一天之中，最低气温出现在日出前后。随后气温逐渐升高，直至午后2点左右达到最高。以后开始逐渐降低，直到次日日出前后气温又降到最低。同一地点的气温因地球公转引起的季节变换而发生气温的年变化。气温的年变化通常用多年来各月平均气温的变化来表示。就北半球来说，大陆上最高月平均气温出现在7月（海洋上为8月）；大陆上最低气温出现在1月（海洋上为2月）。一年中最高月平均气温与最低月平均气温之差反映出一地在一年中气温变化的幅度，是划分气候类型的重要依据。

气温的水平分布是指一定时期内不同地区的气温状况。通常用1月与7月的月平均气温分布状况反映各地区气温的差异。总的来看，无论是南半球还是北半球，也无论是1月还是7月，气温都是从低纬度地区向两极递减。这是因为太阳辐射能量随纬度升高而减少的缘故。但是等温线的分布并不完全与纬线平行，这说明气温分布除了主要受太阳辐射的影响外，还与大气运动、地面状况等因素有密切关系。南半球的等温线比北半球的等温线平直且更接近平行纬线，这是因为南半球海洋面积广阔，而海洋表面的物理性质比较均一。

四、大气的运动

大气时刻在运动着，其运动的形式和规模极为复杂。既有水平运动，也有垂直运动；既有全球性的大规模运动，也有局部性的小尺度运动。

（一）大气运动的动力

大气运动的产生及形式取决于气压的作用。所谓气压是指单位面积上所承受的空气柱的重量，单位是帕[斯卡]（记作Pa，1Pa=1N/m2）。一个地方的气压随高度增加而降低，影响气压随高度变化的原因主要是该地上空大气柱的高度和密度；在水平方向上，由于气温差异也会引起该方向上的大气密度的变化，并产生气压的水平变化。由于大气在垂直或水平方向上存在气压差，从而产生了气压梯度力，它的方向是沿着垂直于等压面方向由高压区指向低压区，其大小为这个方向上单位距离内气压的改变量。气压梯度力可分为水平气压梯度力和垂直气压梯度力。通常垂直气压梯度力较大，是水平气压梯度力的  100  万倍。虽然垂直气压梯度力较大，但因受地球重力作用的影响，它与重力始终处于平衡状态；而水平气压梯度力虽小，但没有其它实质力同它相平衡，在一定条件下却能造成较大的空气水平运动。所以，真正造成大气水平运动的力是水平梯度力。

除水平梯度力之外，运动的大气还会受到地转偏向力、惯性离心力及摩擦力的作用。

地转偏向力是由于地球的自转和地球的球面效应所引起的。通常，地球表面的大气随固体地球一起自西向东旋转，赤道附近线速度大，向两极逐渐变为零。如果低纬度具有较大旋转线速度的大气向具有较小线速度的高纬度运动时，两地的线速度差使运动的大气产生了一个向东的附加速度，实际的风向必然向东偏；相反，高纬度流向低纬度的大气则相当于具有一个向西的附加速度，使风向西偏。实际上，地球上一切物体（包括固体、液体和气体）的运动都会受地球自转的影响而发生方向偏转，其偏转方向与大气相同。这种现象就好像在运动着的物体上施加了一个使其运动方向发生改变的力一样，这种假想的力一般称为科里奥利力，对于运动的大气来说则称为地转偏向力。地转偏向力只改变大气运动方向而不改变速度；在北半球它使气流向原来运动方向的右方偏转，在南半球则向左方偏转。当大气作曲线运动时，还会受到大气的惯性离心力作用。此外，近地面大气的水平运动还将受到地面摩擦力的影响；运动的大气与大气之间也存在着摩擦力作用。在上述几种作用力中，水平气压梯度力是大气运动的原动力，其它力只在大气运动开始后起作用。

（二）大气环流

大气环流是指大范围的大气运动状态。它反映了大气运动的基本格局，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。

1.低纬环流

在赤道地区，地表气温终年炎热，空气受热膨胀、密度变轻而上升，形成“赤道低压带”。因该地带空气以垂直上升运动为主，且上升气流常带有较多水汽，到高空后易冷凝降雨，故造成“赤道无风带”和湿热多雨气候。赤道地表的空气升到高空后，在高空形成高压，促使赤道高空气流向南、向北流动。由于地转偏向力的作用,  气流方向逐渐向东加大偏转，并在大约南、北纬30°的高空与纬线基本平行。这样，气流不能再向南或向北流动，造成高空气体聚积、密度加大，气流被压向地面运动，形成“副热带高压带”（静风带），并导致出现干旱的沙漠气候。在近地面，气流由副热带高压带向赤道低压带运动，并由于地转偏向力作用使气流方向逐渐向西偏转，形成“东北或东南信风（贸易风）带”。于是，在赤道与南、北纬30°之间形成一个低纬度的大气环流系统。

2.中纬环流与高纬环流

由于两极地区终年寒冷，大气冷却收缩，在近地面形成南、北“极地高压带”。而在极地高压带与副热带高压带之间，即在大约南、北纬60°的地区形成一个相对低压带，叫“副极地低压带”。于是在气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的共同作用下，由极地高压带到副极地低压带之间形成偏东风，称“极地东风带”；由副热带高压带到副极地低压带形成偏西风，称“盛行西风带”。当极地东风与盛行西风在副极地低压带相遇时，形成上升气流。上升气流在高空又分别流向副热带和极地上空。于是就形成了中纬环流圈和高纬环流圈。

由于大气环流的结果，在全球近地面大气中形成了相对稳定的7个气压带和6个风带。地表地形和海陆分布特点可使局部地区的大气环流模式发生变化。例如，由于高耸的喜马拉雅山和青藏高原的阻挡作用，明显地改变了我国西部地区的大气环流结构，有人认为这可能是使我国西部逐渐沙漠化的重要原因。

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