大气

大气是围绕地球的空气包层。与海洋、陆地共同构成地球体系。

1、简介

大气（atmosphere）围绕地球的空气包层。与海洋、陆地共同构成地球体系。

2、成因

从环境学角度上看，与水体、地表（及地向坚固物体）分别称为气圈、水圈、岩石圈；彼此有着较强的相互作用，大气是地球体系中动量、热量与物质循环的关键。大气层随地球系的演变而经历了不同的大气演化阶段，生命圈出现使大气从还原性变化成为现代的氧化大气，它又对生态活动起着关键影响。大气总质量约为5.3×1018kg，约占地球总质量的百万分之一。低层大气以氮、氧为主，有少量惰性气体，以及水汽、臭氧、二氧化碳、其它痕量气体和悬浮的固体、液体颗粒物，这些物质的浓度与大气污染状况有关。大气的海平面平均气压为1013．30hPa，气温为288．15K，密度为1．225kg•m-3。大气密度随着距离地面高度的增加而易指数下降并逐渐趋于稀薄，其向行星际空间过渡且无明确的上界，一般将大气上界定为距地面1000km处。这也是极光出现的最大高度。

3、大气成分

大气中除了氧、氮等气体外，还悬浮着水滴（如云滴、雾滴）、冰晶和固体微粒(如尘埃、孢子、花粉等)。大气中的悬浮物常称为气溶胶质粒。没有水汽和悬浮物的空气，称干洁空气。大约在85公里以下的大气层，对流、湍流盛行，大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用，这层大气的组分比例相同，称匀和层(曾称均质层)。匀和层内干洁空气的平均分子量约28.96。约110公里以上的大气层，分子扩散作用超过湍流扩散作用，称非匀和层（曾称非均质层），这层大气的组分经重力分离后，轻的在上、重的在下，干洁空气的平均分子量随高度的增加而减小。85～110公里是从湍流混合为主过渡到分子扩散为主的过渡带，称湍流层顶。湍流层顶附近湍流扩散和分子扩散具有同样重要性，大气成分具有从匀和层向非匀和层过渡的特点。

大气

大气的物质组成

地球上的大气，有氮、氧、氩等常定的气体成分，有二氧化碳、一氧化二氮等含量大体上比较固定的气体成分，也有水汽、一氧化碳、二氧化硫和臭氧等变化很大的气体成分。其中还常悬浮有尘埃、烟粒、盐粒、水滴、冰晶、花粉、孢子、细菌等固体和液体的气溶胶粒子。具体成分是：氮(78.084)氧(20.946)氩(0.934)水汽（0.25）二氧化碳(0.032)氖(0.0018)氦(0.00052)甲烷(0.0002)氪(0.0001)氢(0.00005)氙(0.000008)臭氧(0.000001)其他(0.001421)　　

大气的气体成分

在高度60Km以下大都是中性分子；从60Km向上，白天在太阳辐射作用下开始电离，在90Km以上，则大都处于电离状态。高层大气中，有些成分还分解为原子状态。　

匀和层大气成分

基本不变的气体成分：主要成分氮、氧、氩占大气总体积的99.96％。其余气体均是微量(见表)。在85公里以下，氮、氧等主要气体各自所占的体积比在各高度上基本相同。

可变的气体成分：主要有二气化碳、水汽、臭氧等。这些气体含量虽少，它们对大气物理状况的影响却很大。

大气

①二氧化碳：在11～20公里以下，二氧化碳的分布比较均匀，相对含量基本不变。由于工业的发展、化石燃料（如：煤、石油、天然气）燃量的增加、森林覆盖面积的减少，二氧化碳在大气中的含量有增加的趋势。例如，1890年二氧化碳的含量为0.0296％（体积比），1978年已增至0.0332％（体积比）。二氧化碳吸收太阳辐射少，但能强烈吸收地面辐射并发出长波辐射，从而影响大气的温度。二氧化碳含量增加对气候变化的影响，已引起广泛的重视。　

②臭氧：主要分布在10～50公里之间，尤其集中在20～30公里范围内，那里的臭氧浓度常超过1×10-6体积比)。大气低层的臭氧含量少，典型浓度是(0.005～0.05)×10-6（空气未污染时的体积比）至0.5×10-6（空气受污染时的体积比）。高空的臭氧主要由光化作用形成，低空的臭氧一部分由闪电或有机物氧化产生，另一部分从高空输来。大气中的臭氧总量很少，对横截面积为1平方厘米的整个铅直大气柱中的臭氧，折算到标准状态（气压1013.25百帕，温度273K），臭氧的总累积厚度平均约有0.3厘米。臭氧总量的分布随纬度和时间而异。臭氧强烈吸收太阳紫外辐射(2000～3200埃，3200～3600埃)，使平流层大气的温度较快地随高度增加，也使地面生物免受过量紫外辐射的伤害。　

③水汽：气中水汽的含量，随时间、地点变化很大。沙漠或极地上空的水汽极少，热带洋面上的水汽含量可多达4％(体积比)。在铅直方向，水汽含量一般随高度增加而减少。在大气温度变化的范围内水汽可发生相变，产生云雾雨雪。水汽在太阳辐射的近红外和红外区域，特别对地球长波辐射区域，有较强的吸收带。

④其他成分：随着工业的发展和化石燃料耗量的增多，污染性气体（例如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮、硫化氢、氨、一氧化碳等）将日渐增多。

气溶胶质粒：匀和层内除气体成分外，悬浮着大量气溶胶质粒，其含量和分布随时间、地点、天气条件而变。大气气溶胶质粒的总浓度一般是低空多、高空少，陆地多、海上少，城市多、乡村少。它们使能见度变坏，影响辐射传输，有的能起凝结核的作用。　

非匀和层大气成分

110公里以上的大气，各成分的铅直分布是按分子量（或原子量）的大小由下而上排列的。由此高度向上，原子氧逐渐增加，再向上依次为原子氧层、原子氦层（距地表1000～2400公里）和原子氢层（2400公里以上）。

4、大气分层

整个大气圈，根据温度变化、电离状态和化学反应等特征随高度分布的不同，可分成若干层次。

按热力性质分层

根据大气温度随高度的分布特点，大气圈由地面向上可分成对流层、平流层、中层、热层。在热层之上，中性分子有向星际空间逃逸的现象，常称为外逸层。

大气

平流层：从对流层顶至约50公里高度的大气层。平流层内，温度随高度的增加而增高，下半部温度随高度增高得少，上半部则增高得多。这种温度随高度而增加的特征，主要是大气臭氧对紫外辐射的吸收形成的。平流层内空气大多作水平运动，对流十分微弱。大气污染物进入平流层后，能长期存在，如在20公里高度上曾发现有硫酸盐层。在高纬度地区，冬季在20～30公里高度上有珠母云（又称贝母云）。平流层顶位于离地面50～55公里处，那里的温度约达271K。

中层：从平流层顶至85公里左右的大气层。在中层，一则由于臭氧已稀少，二则由于氮、氧等气体所能直接吸收的波长更短的太阳辐射，大部分已被上层大气吸收，层内温度类似于对流层的情况，随高度的增加而迅速递减。中层有相当强烈的铅直对流。中层顶距地表80～85公里。该处年平均温度约190K，有时出现夜光云。

热层：从中层顶至250公里（太阳宁静期）或500公里左右（太阳活动期）的大气层。热层大气由直接吸收太阳辐射而获得能量，温度随高度的增加而增高。在太阳宁静期的夜里，温度约为500K左右；在太阳活动期的白天，温度可达2000K左右。温度不随高度的增加而增高的起始高度称热层顶，在太阳宁静期此高度约为250公里，在太阳活动期此高度可增至500公里左右。

外逸层：一般指距地表500公里以上的大气区域。外逸层大气十分稀薄。大气粒子很少互相碰撞，中性粒子基本上按抛物线轨迹运动，有些速度较大的中性粒子，能克服地球引力而逸入星际空间。

按电磁特性分层

根据大气的电离特性，大气圈可分成中性层、电离层和磁层。

中性层：指自地表至60公里左右的大气层。中性层大气有时虽然局部可有较多的带电粒子(如雷暴时)，但一般情况下带电粒子少，主要由中性气体组成。

电离层：指自60公里到500或1000公里的大气层，系由较多气体分子吸收了太阳X射线和紫外辐射电离而成。习惯上按电子密度的大小，常把电离层自下而上分成D层(60～90公里)、E层（90～140公里）、F层(140～500或1000公里)。各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节、太阳活动而变化。1000公里以上，也存在电子和离子，但数密度已很小，分布也极不均匀。电离层能反射无线电波，对电波通信很重要。

磁层：地球磁层始于地表以上500～1000公里处，向空间延伸到磁层边缘。太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面，就是地球磁层的边界，称磁层顶。朝太阳一侧的磁层顶离地心约8～11个地球半径，太阳激烈活动时，被突然增强的太阳风压缩到5～7个地球半径。背太阳一侧，因太阳风不能对地磁场施以任何有效的压力，磁层在空间可以延伸到几百个甚至一千个地球半径以外，形成一个磁尾。磁尾中，两侧磁力线突然改变方向的界面，称为中性片。磁层顶即作为地球大气的上界。

此外，距地表约20～110公里(也有主张由对流层顶至195公里左右)的大气层，由于太阳紫外辐射能使大气分子产生光分解或光电离等作用，被分解或电离的物质在一定条件下又能互相发生化学反应，因此，这层大气称光化层。

5、大气环流

大气环流是地球大气层内气流沿着稳定的路径进行不同规模运动的总称。其主要表现形式包括全球行星风系、三圈环流、定常分布的平均槽脊和高空急流、西风带中的大型扰动、季风环流。

大气

17世纪，随着航海事业的发展和气象观测仪器的应用，人们开始研究信风和全球大气环流。1686年，英国天文学家哈雷首次提出信风理论。半个世纪后，随着人们对信风研究的深入，英国天文学家哈得来（G.Hadley，1685-1744）第一次在研究大气环流时考虑地球自转的因素，修正了哈雷的理论，并创立了经圈环流的理论。此理论虽较粗略，却是以后大气环流研究的基础之一，而人们还把赤道附近的经圈环流称为哈得来环流。

1856年，美国人费雷尔（W.Ferrel，1817-1891）首次将科里奥利力引入大气运动研究，并提出中纬度的逆环流，推进了经圈环流的理论。19世纪末，挪威气象学家皮耶克尼斯（V.F.K.Bjerknes，1862-1951）将流体力学和热力学应用于大尺度大气和海洋运动研究，提出了著名的环流理论。他还根据理论和观测事实，于1921年提出了著名的大气环流图案，揭示了地球上空大气运动的规律。

此后，大气环流理论仍在发展。1928年，瑞典气象学家伯杰龙（T.H.P.Bergeron，1891-1977）最先提出三圈环流理论，后经瑞典裔美国气象学家罗斯贝（C.G.Rossby，1898-1957）作进一步延伸，用它代替哈得来环流模式。

大气环流十分复杂，环流性状在不断变化，这是太阳-天气气候关系、地-气关系、海-气关系、甚至还有生物和人类活动的影响长期综合作用的结果，还需要继续做不断的探索。大气环流研究不仅是人类认识自然的重要组成部分，而且对于改进和提高天气预报准确率、研究气候形成理论、探索全球气候变化、以及更有效地利用气候资源，都具有重要的意义。

6、大气变暖

据有关报道，中国科学院的科研人员利用自行设计的高精度冰芯气泡甲烷提取分析系统，对青藏高原达索普冰芯进行了研究测试、实验分析，获得了近两千年来高分辨率中低纬度大气甲烷纪录，使大气温室气体与全球气候变化相互作用的研究取得了突破性进展。通过对青藏高原达索普冰芯中甲烷记录的研究，科研人员发现,1850年以来大气中甲烷含量急剧上升，在过去的150年里上升了1.4倍。而在两次世界大战期间人类活动甲烷排放呈负增长。专家称，这一研究将为全球大气的分布和变化特征提供定量评估的依据。

研究表明，随着温室气体的不断排放，地球大气的“温室效应”会越来越强。温室气体主要由水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、氟里昂等成分组成，其中甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍，且在大气中的浓度呈现出快速增长的趋势。此外，研究还预测出：随着温室气体的大量排放，全球气温将普遍上升。同时，地球生态系统将面临中纬度地区生态系统和农业带向极区迁移和生物多样性降低的威胁，突发性的气候灾难频度增强，这些都将直接影响人类的生存与发展。

20世纪末，随着全球人口的增长和人类活动的加剧，人类向大气中排放的温室气体越来越多，使大气中温室气体的含量成倍增加。专家指出，这些温室气体将通过气候系统控制自然能量的流向，从而影响全球气候的变化。事实上，人类排放到大气中的气体无一例外都要通过自然过程来消除，而消除过程本身则要通过破坏现有的气候、环境及生态系统来完成。人类愈发认清：在环境污染的肇事者名单中，无人可以逃脱；而在环境恶化的受害人名单中，也没谁可以幸免。每一个人不仅仅是环境污染的受害者，也是环境污染的制造者，更是环境污染的治理者。环境保护不仅仅是一个口号、一个话题，它更是一门系统的科学，更是一种意识、一种理念、一种生活方式。环境保护不但需要*和专家学者，也需要公众的广泛参与，环境保护要从娃娃抓起，让每一个公民从小养成保护环境的习惯，*的理念要坚定，宣传要细化到位，打持久战。

世界上，宇宙中任何物体都辐射电磁波。物体温度越高，辐射的波长越短。太阳表面温度约6000K，它发射的电磁波长很短，称为太阳短波辐射（其中包括从紫到红的可见光）。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时，也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长，称为地面长波辐射。短波辐射和长波辐射在经过地球大气时的遭遇是不同的：大气对太阳短波辐射几乎是透明的，却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时，它自己也向外辐射波长更长的长波辐射（因为大气的温度比地面更低）。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后就会升温，或者说大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。

7、存在危害

大气跟随地球运动，也受日、月引力潮汐作用。作为地球主要能源的太阳辐射经过大气层传输到地面，大气层对地球辐射平衡起着关键作用。低层大气由于地面非均匀加热，形成了各种不同性质和尺度的空气团；它们的运动形成了各种尺度的天气过程，伴随以各种天气现象（诸如云、降水、雷电、大风等），并有冷热、干湿周期的气候变化。大气的温度、压强、密度、成份等状况，决定了在其中传播的流体的、声学的、电磁的波动的传输特征。

8、防御措施

在垂直方向上，大气有各种不同的分层方法：控温度随高度分布特征，可分为对流层、平流层、中间层、热层、外层；按大气成分的均匀性，可分为均质层和非均质层；按气体的电离状况与受地磁作用，可分为中性层、电离层和磁层。

9、大气环境问题

全球气候变暖

在产业革命以前的千万年里，，地球的平均气温一直保持在约13℃。但产业革命以来的100多年里，地球的平均气温上升了约0.5℃，这种气候变暖的趋势在最近十多年里尤其明显。

关于全球气候变暖的成因，目前普遍认为是温室效应引起的。炽热的太阳发射出波长较短的辐射，可以透过大气及其中的CO2和水蒸汽到达地面。而地球反射的辐射波长较长，却会被大气及其中的CO2和水蒸汽等吸收，不能全部回到太空中去。这样，大气及其中的有些气体对地球起到保温作用，如同温室（玻璃建的花房）对室内的气候有保温作用一样，故称为温室效应（greenhouseeffects）。如果没有大气，地球表面将会比现在低33℃。

温室效应气体主要有：CO2，甲烷，氧化二氮，氯氟烃等。据资料，80年代温室气体对全球变暖的贡献，CO2占49%，甲烷占18%，氟氯烃（CFCs）占14%，NOx占6%，其他气体占13%.已有的研究表明，上述温室气体，特别是CO2浓度，与全球变暖的正相关性十分显著，模拟研究表明，大气中CO2浓度增加1倍，气温将上升4℃。产业革命以来，CO2浓度已增加26%，1800年大气中CO2浓度是503mg/m3，1990年CO2浓度已达634mg/m3.

全球气温的升高，将导致海水温度上升，海平面抬高；并影响森林发育成长，影响农作物产量等；气侯急剧变暖还会给物种带来巨大灾难，导致灭绝性后果。

气候变暖对人类健康的影响主要是由生物性传染媒介（如昆虫、原虫等）所传播的疾病（如疟疾、登革热、黄热病、锥虫病等）分布将会从热带亚热带向温带和两极扩展。昆虫等生物性传染媒介的分布主要受温度影响，气候变暖扩大了它们的生存地带医学教`育网整理，致使发病率升高。

臭氧层耗竭

臭氧层耗竭（depletionofozonsphere）是指近几十年来，平流层中的臭氧层逐渐变薄在南北极甚至出现臭氧空洞的现象。1979～1986年间全球平均总臭氧减少5%，近十年我国臭氧已下降1.7%～3.1%，近两年在*上空出现了臭氧空洞医学教`育网整理。由于臭氧层能阻挡太阳辐射中紫外线的99%到达地球表面，因而是地球上生命不可缺少的保护屏障。臭氧层变薄乃至出现臭氧空洞对地球表面的生命构成了严重威胁。

目前普遍认为臭氧层耗竭与人类大量使用和排放氯氟烃（CFCs）有关。氯氟烃是本世纪三十年代发现的安全无毒的制冷剂，它不可燃，对生物和人类无毒副作用，因此被大量用作制冷剂、喷雾剂和膨胀剂等。但是，氯氟烃由于其化学惰性，极不容易降解，在对流层中可存在数十年，其蒸汽压又比较大，能以扩散的方式上升到平流层后，受短波紫外线照射发生光降解释放出氯原子，一个氯原子可与近十万个臭氧分子反应生成氧，从而消耗了臭氧。

10、我国参加首次全球大气试验

1978年12月18日，我国参加第一次全球大气试验热带海区观测的两艘海洋调查船——“实践”号和“向阳红09”号离开了黄埔港，乘风破浪向试验海区挺进。

第一次全球大气试验是由世界气象组织负责组织实施的国际气象领域中的一项重要科研协作活动，从1977年12月至1979年11月进行，第一年为准备阶段，第二年为实施阶段。“实践”号和“向阳红09”号到热带海区参加观测，是我国参加

这一试验所承担的一项任务。这两艘海洋调查船到指定热带海区主要是观测当地高空气象(包括风、压力、温度、湿度)和海面气象，以及水下的深度、温度等，为全球大气试验提供气象、海洋资料。参加观测的第一时段，为1979年1月5日至3月5日，第二时段，为5月1日至6月30日。