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大氣層(atmosphere)又叫大氣圈,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,佔78.1%;氧氣佔20.9%;氬氣佔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。

1簡介

大氣層

  大氣層

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內存在,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800千米層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。
又稱大氣圈,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百萬分之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佈和運動特徵,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。
大氣層

  大氣層

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,差不多佔地球總質量的百萬分之一,其中包括:氮78%、氧21%、氬0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%,此外還有水汽和塵埃等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干潔空氣。 干潔空氣的主要成分為78.09%的氮,20.94%的氧,0.93%的氬。這三種氣體佔總量的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。
在干潔空氣中,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。近地層干潔空氣組成如表1-1-1所示。
表1-1-1 干潔空氣的氣體成分
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。

2層次

平流層
中文名稱:平流層英文名稱:stratosphere 其他名稱:
大氣層
同溫層 定義1:從對流層頂到約50 km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。 應用學科:大氣科學(一級學科);大氣(二級學科) 定義2:距地表約10~50 km處的大氣層。位於對流層之上,逸散層之下。 應用學科: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公里至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,直到高於海平面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,適于飛機航行。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。
電離層/暖熱層
電離層(Ionosphere)/暖(熱)層(Thermosphere)
電離層是地球大氣的一個電離區域。60千米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,故稱又暖層。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
極光

  極光

度,發生折射、反射和散射,產生極化面的旋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佈的基本參數來表示。但電離層的研究對象主要是電子密度隨高度的分佈。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。

外層

大氣層

  大氣層

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。
大氣層有多厚,這的確是一個很吸引人的問題。人類經過不懈地探索和追求,對大氣層的認識越來越清晰了。整個大氣層可以分成幾個層。 從地面到10~12千米以內的這一層空氣,它是大氣層最底下的一層,叫做對流層。主要的天氣現象,如雲、雨、雪、雹等都發生在這一層里。
在對流層的上面,直到大約50千米高的這一層,叫做平流層。平流層里的空氣比對流層稀薄得多了,那裡的水汽和塵埃的含量非常少,所以很少有天氣現象了。
從平流層以上到80千米這一層,有人稱它為中間層,這一層內溫度隨高度降低。
在80千米以上,到500千米左右這一層的空間,叫做熱層,這一層內溫度很高,晝夜變化很大。
太陽風與地磁場

  太陽風與地磁場

從地面以上大約50千米開始,到大約1000千米高的這一層,叫做電離層。美麗的極光就出現在電離層中。
在離地面500千米以上的叫外大氣層,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1000千米之內,即電離層之內作為大氣的高度,即大氣層厚1000千米 。

3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。
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」計劃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。
層序
高度
溫度分佈變化
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。
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