我们生活的大气

第一章　我们生活的大气

我们居住的地球被一层大气圈所包围，大气圈随地球一道转动，形成一个整体。如果我们从星际空间去看地球，大气圈就像一层淡蓝色的薄幕紧裹着地球，透过这层薄幕，可以清晰地看到地面上的山脉、海洋等。如果把大气圈看作气体的海洋，我们就生活在这个海洋的底部。

大气圈与我们的关系太密切了。正是有了大气，地球上的人类和各种生物才能呼吸空气中的氧气而生存下来。正是有了大气，在炎热的阳光照射下，地面温度才不至于达到水的沸点之上，而在夜晚，又不至于冷得使生物无法生存。大气圈就像暖房的玻璃，它既让阳光通过、又充分地保存地球上的热量，从而调节地球上的温度使得适于人类和生物生存。大气圈又像一副盔甲，它保护我们不受星际空间来的高能宇宙射线和来源于太阳的紫外辐射的伤害。

正是有了大气，声音才能通过空气传播到我们的耳朵里。正是有了大气地球上的一切才变得气象万千，丰富多彩。风、云、雷、电等在天气舞台上扮演着不同的角色。如果没有大气，现有的一切景象将面目全非，不可思议。

大气还蕴藏着人类取之不竭，用之不尽的自然资源。

大气的组成

与地球一起诞生的原始大气，大约只历时了9000万年就被太阳风扫除了。

不久，地球内部的挥发性物质向地表大量泄漏出来。这就是地质学家所说的脱气过程。这些挥发性物质，主要是二氧化碳、甲烷、水汽、一氧化碳、氨、氮、硫化氢等气体。这些气体组成了次生大气。除了最轻的气体外，地球的重力足以把这些气体“拴住”。使它们不致逃逸到星际空间去。

大约又过了十多亿年之后，地表开始冷却，稠密大气中的水汽凝结成雨降落下来，向坑坑洼洼的地方汇聚，形成最早的江河湖泊，即原始水圈。以后火山不断地爆发，排出的大量水汽又变成雨水回归地面。经过漫长年代的变迁，原始水圈逐渐扩展为现在的汪洋大海和湖河沼泽。次生大气中的二氧化碳和其他气体，逐渐被雨水融解降落到地面，再渗入地下，储存于地壳中。

原始大气的量很大。单是氢一项，就相当于现在构成固态地球的四个基本要素，即镁、硅、铁和氧的总量的400倍之多。然而，有趣的是，原始大气在地球形成后，不久就消失殆尽了。这是因为那时地球内部的铁核心尚未形成，地球还没有磁场，强劲的太阳风把没有地球磁场保护的原始大气“吹”跑了。因此，在地球历史的早期，一度没有大气。

大气的结构

那么，大气层到底有多厚呢？

50%的大气质量集中在离地5．5公里以下的层次内，在离地36—1000多公里的大气内只占总质量的1%。但无论哪个高度，大气密度都不会接近于零。也就是说，大气圈与星际空间之间很难用一个“分界面”把它们分开。

严格地说，不存在大气圈的这种上界。古人云：不知天高地厚。但是，我们还是可以通过物理分析确定大气圈的最大高度。很多人都看到过极光，它是部分太阳风带电粒子进入地球磁场，经过复杂的传输过程后，在200—1200公里的高空与地球大气中的原子相互碰撞而造成的发光现象。根据观测资料极光是大气中出现高度最高的物理现象。因此，可以把大气上界定为1200公里。另外，还可以用接近于星际的气体密度的高度来估计大气的上界。根据人造卫星探测资料推算，这个大气上界大约在2000—3000公里高度上。

大气的温度分层

根据大气在垂直方向上的物理性质不同，我们可以把大气分层。如按大气的温度情况来分层，可以把大气分为五层，就是对流层、中流层、中间层、暖层和散逸层。

对流层是贴近地面且最低的一层，它与人类关系最密切。云、雾、雨、雪等主要天气现象都出现在这一层。

对流层内气温随高度的升高而降低。这是由于对流层是吸收地面的热量。地面吸收了太阳辐射的热量，同时它又向大气辐射热量，使上空的空气变热。所以越靠近地面，空气越热；离地面远的空气，受热就少；对流层顶温度最低。对流层中气温随高度而降低的数值，在不同地区、不同季节、不同高度是有区别的。平均而言，每上升100米，气温下降约0．65℃。赤道地区对流层温度比极区低，冬季又比夏季低。

由于对流层的空气，下面热，上面冷，“头重脚轻”，空气很不稳定，形成了对流。对流运动的强度随纬度和季节的变化而变化。一般说纬度越高，对流强度越弱。夏季要比冬季强。由于对流强度的不同又导致了对流层厚度的不同，从地理分布上，赤道向两极减小。在低纬度地区平均为17—18公里，在中纬度地区为10—12公里，在高纬度地区为8—9公里。但从时间上，夏季较厚，冬季较薄，尤其是中纬度地区，特别明显。

对流层同大气的总厚度相比，显得十分渺小。它还不及整个大气厚度的1%。但是，它却集中了整个大气3／4的质量和几乎全部的水汽。对流的结果又使得高、低层空气均匀混合，使近地面的热量、水汽、杂质往上输送，从而引起了各种天气活动。

对流层厚度随纬度和季节的变化（公里）：在对流层和平流层之间，有一个厚度为数百米到1—2公里的地渡层，称为对流层顶。在对流层顶里，温度随高度的增加降低得很慢，或者几乎为等温。对流层顶的气温随纬度变化很大。在低纬地区平均为－83℃，在高纬地区平均为－53℃。对流层顶阻挡了上升的气流，聚集了上升的水汽、尘粒，所以它的能见度很差。对流层顶以上到55公里左右为平流层。在对流层底部，有一个约有几公里厚的温度大致相同的区域，到了25公里以上，气温随高度增加而显著升高，到55公里气温上升至3℃。平流层曾有同温层之称，且以前一直认为该层的气流永远是平静流动的。直到1952年用探空仪在柏林上空第一次发现了平流层“爆发性增温”现象，在1—2天内，平流层温度可以骤升30—40℃。

大气的主要气象要素

大气每天都在发生变化。有时，风起云涌，雨雪纷飞；有时则晴空万里，蔚蓝无际。可以用来描述大气状况和现象变化的物理量很多，如气压、温度、湿度、风向、风力、云量、能见度、降水量、日照、辐射等等，这些都是基本的气象要素。下面主要介绍几个气象要素。

1．大气压力

气象台每天都要发布天气预报。天气预报的主要依据就是气压随时间和空间的变发而发生的变化。一般，一个地方气压降低时多阴雨天气，气压升高时多晴。根据气压计的读数，再参考其他的气象要素变化情况，就可作出简易的天气预报。

气压指大气的压强，即单位面积上所承受的压力。某地的气压值等于该地单位面积垂直向上，延伸到大气层顶的空气柱的总重量。气压的单位可用毫米水银柱高度来表示，气象上常用毫巴来度量。一毫巴约等于3／4毫米水银柱高的压力。地面气压一般在1000毫巴左右。

气象上规定，把温度为0℃、纬度为45度的海平面作为标准情况时的气压，称为1个大气压，其值为760毫米水银柱高，或相当于1013．25毫巴。

压强×体积／温度＝常数

这一规律告诉我们，对一定质量的气体，当它的压强维持不变时，则温度和体积的变化成正比；当它的温度维持不变时，则体积和压强成反比；或当它的体积固定时，则压强和温度成正比。人们又把这一式子叫气体状态方程。它还可以写成其他形式。

大气的状态处于不断变化中，但是，如果表示大气状态的气压、温度和体积三者中的任何两个确定之后，则整个大气状态也就确定了。

2．大气温度

春夏秋冬，寒来暑往，给人最直接的感觉是气温的变化。大气温度是表示空气冷热程度的物理量。温度常与热量联系在一起，但热量与温度却是两个完全不同的概念。热是能量，而温度是一种量度。一支火柴的火焰，会把手指灼痛，说明它的温度很高。但是当用手去摸冬季取暖的散热片却不致于被烫伤。点燃火柴的温度虽然比散热片高，但火柴提供给房间的热量却比散热片少得多。所以可把温度比作测速计的读数。

用来测量温度的仪器叫做温度表。最简单的温度表是根据液体热胀冷缩的原理制作的。我们平常用的和医用的温度表制作比较简单。将一定量的液体（水银或酒精）密封在管径均匀、下端呈球形、内抽真空的玻璃毛细管之中，因管子内径极细，故温度有微小变化，液柱高度就有明显的升降。把这种温度表放在结冰的水中，将此时的液柱高度定为零度，再把它放在沸腾的水中（一个大气压），将这时的液柱高度定为100度，其间刻成100等分，即为我们常用的摄氏温标，记作“℃”。如果将水的冰点定为32度，沸点定为212度，中间划成180等分，这就是欧美常用的华氏温标，记作“F”。

科学上常用一种开氏温标，又称绝对温标，记作“K”它的零度等于－273．18℃，使用时，常取其近似值－273℃。摄氏温标与绝对温标的换算关系为：

℃＝K－273

除了液体温度表外，还有材料制作的温度表，如金属片温度表、电阻温度表等等。