(一)大气层的概念
大气层(atmosphere)又叫大气圈,地球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1000km以上,但没有明显的界线。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、电离层与外大气层,再上面就是星际空间了(图1-18)。
图1-18 大气层结构图(http://aircraftdesign.nuaa.edu.cn)
对流层在大气层的最底层,紧靠地球表面,其厚度为10～20km。对流层的大气受地球影响较大,云、雾、雨等现象都发生在这一层内,水蒸气也几乎都在这一层内存在。这一层的气温随高度的增加而降低,大约每升高1000m,温度下降5～6℃。动、植物的生存,人类的绝大部分活动,也在这一层内。这一层的空气对流很明显。对流层以上是平流层,大约距地球表面20～50km。平流层的空气比较稳定,大气是平稳流动的。
在平流层内水蒸气和尘埃很少,并且在30km以下是同温层,其温度在-55℃左右。平流层以上是中间层,距地球表面50～85km,这里的空气已经很稀薄,突出的特征是气温随高度增加而迅速降低,空气的垂直对流强烈。中间层以上是暖层,距地球表面100～800km。暖层最突出的特征是当太阳光照射时,太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收,因此温度升高。散逸层在暖层之上,由带电粒子所组成。
除此之外,还有两个特殊的层,即臭氧层和电离层。臭氧层距地面20～30km,介于对流层和平流层之间。氧分子受太阳光的紫外线的光化作用变成了臭氧。电离层很厚,大约距地球表面80km以上。电离层是高空中的气体,被太阳光的紫外线照射,电离成带电荷的正离子和负离子及部分自由电子。电离层对电磁波影响很大,我们利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点,来实现电磁波的远距离通讯。
(二)大气层的形成和演化
大气层的起源有3种观点:一是原生说,当行星形成时,俘获太阳星云的气体组成;二是次生说,行星内部物质通过熔融、去气过程,释放的气体逐渐形成大气圈;三是上述两种成因的叠加。地球大气圈的次生起源获得了愈来愈多的证据,如金星、地球、火星大气圈成分相似(地球大气圈中的CO2多被转移至水圈和沉积岩中),证明类地行星的大气圈起源于行星内部的除气过程;地球内部除气所产生的气体成分和气体量足够形成地球大气圈;地球大气圈的元素与同位素组成与太阳星云气体差异极大;地球大气圈的稀有气体丰度与太阳星云或太阳的丰度不符而与组成地球的初始物质——陨石的丰度一致。
地球大气层的成分和各组分的分压有着极其复杂的演化过程。地球不同于金星和火星。金星的质量近于地球,由于距太阳较近,表面温度高,内部除气所产生的水蒸气不能在表面凝结成水圈,CO2、SO2、H2S、NO、NO2积累滞留在大气圈内形成稠密的CO2大气圈。火星距太阳较地球远,表面温度低,加之质量较小,气体易于逃逸,火星内部除气过程释出的气体,不能凝结成水体,只能形成极稀薄的CO2大气圈。地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈具有协调的形成和演化过程。地球内部除气作用释出的主要气体为水蒸气、CO2、CO、HCl、CI2、HF、HBr、H2S、S、SO2、N2、H2、H、O2、CH4、NH3和稀有气体等。O2主要来源于水蒸气的光化学分解和绿色植物的光合作用。地球内部物质的熔融除气过程,大约共释放1.74×1018t挥发性物质,其中CO2约1.22×1015t。地球初始的大气圈属于具有火山气体成分的强还原性大气圈。通过水蒸气的凝结,原始的海洋水成为强酸性水体。随着海洋水体的增大,大气圈中CO2的积累,太古宙的地球大气圈演化为CO2-火山气体大气圈。随着水圈中碳酸盐的沉积,大气圈中CO2分压降低,演化为元古宙的弱氧化的CO2大气圈。随着显生宙生物的繁殖,碳酸盐沉积量的增长和植物的出现,CO2大气圈逐步演化为现今的N2-O2大气圈。
地球各圈层的演化受到地球内部能量的产生、积累、传输和分布的制约。地球内部的能量随时间而衰减,地球内部物质的熔融、调整、除气作用也随时间而减弱。
人类的活动使地球大气圈中CO2含量明显增加,每年煤和石油燃烧产生的CO2总量为6.2×109t,相当于现今大气圈中CO2含量的1/250。温室效应的增长,臭氧层的破坏,一系列环境生态的恶化,对人类的生存环境提出了严重的挑战。“全球变化——地圈和生物圈十年”计划已成为当代科学研究的焦点,全世界的科学家将为人类生存环境的演化和预测提出科学对策。
地球大气层是随着地球的形成而逐步演变的,经过几十亿年的不断演化,才成为今天的状态。一般认为地球大气层分三个阶段演变而成:初期,在地球凝聚诞生的同时,氢和氦就构成了早期的原始大气层。这层大气寿命很短,在地球形成后不久便被太阳向外不断散射的强烈粒子流形成的太阳风吹得无影无踪;同时,地球形成之初,质量还不大,引力较小,加上内部放射性物质衰变和物质融化引起能量转换和增温,使分子热运动加剧,氢、氦这种低分子质量的气体便逃逸到空间去了。随后,地球温度不断下降,地球冷凝成固体。这时内部高温促使火山频频爆发,产生出CO2、CH4、N2、水蒸气和H2S、NH3等具有较大的分子质量的气体,它们形成了围绕地球的第二次出现的次生大气。地球的水圈,也正是在这个阶段由水蒸气凝结降落而形成的。