地球大氣專(zhuān)題

1、地球大氣的由來(lái)人類(lèi)賴(lài)以生存的大氣，是圍繞著整個(gè)地球的一個(gè)巨大的氣體圈層，稱(chēng)為大氣圈。大氣在沒(méi) 有污染的情況下是透明、無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的。這層大氣由許多種氣體組成，其中所包含的 氧氣對(duì)于人類(lèi)的生存最為重要。這層大氣處在不停的運(yùn)動(dòng)這中，我們所感到的風(fēng)就是空氣運(yùn) 動(dòng)的表征。這層空氣可以傳遞聲波，幫助人類(lèi)進(jìn)行語(yǔ)言交流。這層大氣的存在，還可以阻止 有害于人類(lèi)健康的輻射線進(jìn)入人類(lèi)居住的環(huán)境，保護(hù)人類(lèi)的正常生活和世代繁衍。這層 大氣對(duì)于人類(lèi)和社會(huì)的進(jìn)步是太重要了。大氣還以它變幻莫測(cè)的魅力吸引著人們。很早以前，人們就對(duì)這令人撲朔迷離的大氣世界， 產(chǎn)生了極大的興趣。特別對(duì)于它的“身世”是最關(guān)心的了。大氣是怎樣誕

2、生的？原始大氣是什 么樣子？是否與今天的大氣一樣？這一系列的問(wèn)題，一直爭(zhēng)論至今。人們都承認(rèn)，地球 大氣是伴隨著地球的形成過(guò)程，經(jīng)過(guò)了億萬(wàn)年的不斷“吐故納新”，才演變成今天的這個(gè)樣子。 但它是怎樣演變的呢？一般認(rèn)為，地球大氣的演變過(guò)程可以分為三個(gè)階。原始大氣階段大約在 50 億年前，大氣伴隨著地球的誕生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所說(shuō)的 星云開(kāi)始凝聚時(shí)，地球周?chē)鸵呀?jīng)包圍了大量的氣體了。原始大氣的主要成分是氫和氦。當(dāng) 地球形成以后，由于地球內(nèi)部放射性物質(zhì)的衰變，進(jìn)而引起能量的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換對(duì)于地球 大氣的維持和消亡都是有作用的，再加上太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)烈作用和地球剛形成時(shí)的引力較小，使 得原始大氣

3、很快就消失掉了次生大氣階段地球生成以后，由于溫度的下降，地球表面發(fā)生冷凝現(xiàn)象，而地球內(nèi)部的高溫又促使火山 頻繁活動(dòng)，火山爆發(fā)時(shí)所形成的揮發(fā)氣體，就逐漸代替了原始大氣，而成為次生大氣。次生 大氣的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氫和氨等一些分子量比較重的氣體。這些氣體 和地球的固體物質(zhì)之間，互相吸引，互相依存。氣體沒(méi)有被地球偌大的離心力所拋棄，而成 為大氣的第二次生命棗次生大氣。今日大氣階段隨著太陽(yáng)輻射向地球表面的縱深發(fā)展，光波比較短的紫外線強(qiáng)烈的光合作用，使地球上的 次生大氣中生成了氧，而且氧的數(shù)量不斷地增加。有了氧，就為地球上生命的出現(xiàn)提供了極 為有利的“溫床”。經(jīng)過(guò)幾十億萬(wàn)年的分解、同化

4、和演變，生命終于在地球這個(gè)襁褓中誕生了。 原始的單細(xì)胞生命，在大氣所紡織成的“搖藍(lán)”中，不斷地演變、進(jìn)化，終于發(fā)展成了今天主 宰世界文明的高級(jí)人類(lèi)。今天的大氣也在這個(gè)過(guò)程中，獲得了如此一個(gè)“美滿(mǎn)的家庭”。今天的大氣雖然是由多種氣體組成的混合物，但主要成分是氮，其次是氧，另外還有一些 其它的氣體，但數(shù)量則極其微小的。今天的大氣之所以形成這種情況，是由于地球長(zhǎng)期演化 的結(jié)果。關(guān)于今天的大氣成分為什么是這樣？它們是怎樣長(zhǎng)期演化來(lái)的，目前主要有兩種看法。一 種看法認(rèn)為今天的大氣就是從地球原始大氣演化而來(lái)的。另一種看法則認(rèn)為，原始大氣已經(jīng) 不存在了，現(xiàn)在的大氣是由于地球內(nèi)部火山活動(dòng)所噴發(fā)出的物質(zhì)演化成的

5、。為了分析說(shuō)明這 個(gè)問(wèn)題，我們可以和地球的左鄰右舍(金星和火星)進(jìn)行一下對(duì)比。根據(jù)探測(cè)資料，金星的大 氣成分主要是碳酸氣，它的下部主要是二氧化碳，另外還有少量的氧、氮、碳、氖、氦、水 汽，上部有原子狀態(tài)的氧。火星的大氣成分主要是二氧化碳，另外還有些氨(NH)、氫、氧、水汽等物質(zhì)。那么是不是以前的大氣也是這樣的呢？作為一個(gè)問(wèn)題可以這樣考慮。假如地球原始大氣也是以碳酸氣為主的話，那么為什么和今天以氮和氧為主的成分不一 樣？假如地球大氣主要是火山噴發(fā)出來(lái)的，根據(jù)現(xiàn)在火山噴發(fā)的資料來(lái)看，火山噴發(fā)物質(zhì)中 主要是水汽，占 81，二氧化碳占 10，另外還有氮、硫等等，但沒(méi)有游離狀態(tài)的氧。由 此，可見(jiàn)，無(wú)論是

6、從原始大氣來(lái)看，還是從火山噴發(fā)氣體中的這些成分都很少。而且大氣中 自從有了自由氧，才可能有臭氧的形成。有了氧，原始大氣中的一氧化碳，經(jīng)過(guò)氧化成為二 氧化碳，甲烷經(jīng)氧化成為水汽和二氧化碳，氨經(jīng)氧化成為水汽和氮，因而二氧化碳才占優(yōu)勢(shì)。二氧化碳在初始大氣中占的分量很大，但是由于光合作用的發(fā)展，碳大量的被用來(lái)構(gòu)成生 物體，另外一部分碳溶解于海洋，成為海洋生物發(fā)展的一種物質(zhì)。當(dāng)大氣中的二氧化碳較多 時(shí)，溶解到海水體中的二氧化碳就相對(duì)增多。現(xiàn)在有一種看法認(rèn)為，由于化石燃料的燃燒， 二氧化碳的濃度在增大。但在二氧化碳濃度增大的同時(shí)，自然界生態(tài)平衡的結(jié)果也不可能使 二氧化碳的濃度過(guò)分地增大，一定有一部分要溶解

7、到水體中去。再一個(gè)成分就是氮。現(xiàn)在大氣中的主要成分是氮，但從原始大氣中或火山噴發(fā)氣中來(lái)看， 氮的成分是很少的，只有百分之幾。而現(xiàn)在氮的增多，主要有兩個(gè)原因，一是氮的化學(xué)性質(zhì) 很不活躍，不太容易同其他物質(zhì)化合，多呈游離狀態(tài)存在；另一方面，氮在水中的溶解度很 低，氮的溶解度僅相當(dāng)于二氧化碳的七分之一，所以它大多以游離狀態(tài)存在于大氣中，由于 二氧化碳的減少，初始水汽又大部分變成液態(tài)水，成為今天的水圈，相對(duì)來(lái)說(shuō)，氮和氧的比 例就增多了，所以今天氮有這么多，是和氮本身的特性有關(guān)的。當(dāng)然，氮也進(jìn)行著循環(huán)，一 些根瘤菌可以吸收氮，使得一部分氮參加到生物循環(huán)里去，這些物質(zhì)在腐爛分解后，又放出 游離的氮；也有一

8、小部分氮進(jìn)入到地殼的硝酸鹽中。氮雖參加循環(huán)，但大部分呈游離狀態(tài)存 在，相對(duì)來(lái)說(shuō)，它的數(shù)量在增多，以致成為大氣的主要成分。由此我們可以得出兩點(diǎn)結(jié)論: 第一，現(xiàn)在的大氣成分是地球長(zhǎng)期演化的結(jié)果，是和水圈、生物圈、巖石圈進(jìn)行充分的物質(zhì) 循環(huán)的結(jié)果?？梢哉f(shuō)，這幾個(gè)圈層是相互聯(lián)系，互相滲透的一個(gè)整體。第二，現(xiàn)在的大氣成 分還在不斷的進(jìn)行著循環(huán)過(guò)程之中，而且這個(gè)過(guò)程基本是平衡的，穩(wěn)定的，在短時(shí)期內(nèi)不是 會(huì)有明顯變化的。地球大氣的組成過(guò)去人們認(rèn)為地球大氣是很簡(jiǎn)單的，直到十九世紀(jì)末才知道地球上的大氣是由多種氣體組 成的混合體，并含有水汽和部分雜質(zhì)。它的主要成分是氮、氧、氬等。在80-100 公里以下 的低層大

9、氣中，氣體成為可分為兩部分:一部分是“不可變氣體成分”，主要指氮、氧、氬三 種氣體。這幾種氣體成分之間維持固定的比例，基本上不隨時(shí)間、空間而變化。另一部分為 “易變氣體成分”，以水汽、二氧化碳和臭氧為主，其中變化最大的是水汽?？傊髿膺@種 含有各種物質(zhì)成分的混合物，可以大致分為干潔空氣、水汽、微粒雜質(zhì)和新的污染物。 干潔大氣成份 地球大氣由多種氣體混合組成。低層（85公里以下）大氣的氣體成份可分為兩類(lèi)， 一類(lèi)為 常定成分，主要包括氮、氧、氬，以及微量的惰性氣體氖、氦、氪、氙等，它們?cè)诖髿獬煞?中保持固定的比例；第二類(lèi)為可變成份，其比例隨時(shí)間、地點(diǎn)而變，其中水氣的變化幅度最 大，二氧化碳和臭氧

10、所占比例最小，但對(duì)氣候影響較大，硫、碳和氮的各種化合物還影響到 人類(lèi)生存的環(huán)境。干潔空氣是指大氣中除去水汽、液體和固體微粒以外的整個(gè)混合氣體，簡(jiǎn)稱(chēng)干空氣。它的 主要成分是氮、氧、氬、二氧化碳等，其容積含量占全部干潔空氣的99.99以上。其余還 有少量的氫、氖、氪、氙、臭氧等。由于大氣中存在著空氣運(yùn)動(dòng)和分子擴(kuò)散作用，使不同高度、不同地區(qū)的空氣得以進(jìn)行交換 和混合。從地面向上至到80-100 公里高處，干潔空氣的各種成分的比例基本上是不發(fā)生變 化的。干潔大氣的主要成份和比例如表:干潔大氣成份表氣體按容積百分比按質(zhì)量百分比分子量氮78.08475.5228.013420.94823.1531.998

11、8氬0.9341.2839.948二氧化碳0.0330.05 44.0099其中對(duì)人類(lèi)活動(dòng)及天氣變化有影響的大氣成份為:氧氣: 氧氣占大氣質(zhì)量的 23，它是動(dòng)植物生存、繁殖的必要條件。氧的主要來(lái)源是 植物的光合作用。有機(jī)物的呼吸和腐爛，礦物燃料的燃燒需要消耗氧而放出二氧化碳。 氮?dú)? 氮?dú)庹即髿赓|(zhì)量的 76，它的性質(zhì)很穩(wěn)定，只有極少量的氮能被微生物固定在 土壤和海洋里變成有機(jī)化合物。閃電能把大氣中的氮氧化(變成二氧化氮)，被雨水吸收落 入土壤，成為植物所需的肥料。二氧化碳: 二氧化碳含量隨地點(diǎn)、時(shí)間而異。人煙稠密的工業(yè)區(qū)占大氣質(zhì)量的萬(wàn)分之 五，農(nóng)村大為減少。同一地區(qū)冬季多夏季少，夜間多白天少，

12、陰天多晴天少。這是因?yàn)橹参?的光合作用需要消耗二碳。臭氧: 臭氧是分子氧吸收短于 0.24 微米的紫外線輻射后重新結(jié)合的產(chǎn)物。臭氧 的產(chǎn) 生必需有足夠的氣體分子密度，同時(shí)有紫外輻射，因此臭氧密度在2235 公里處為 最大。 臭氧對(duì)太陽(yáng)紫外輻射有強(qiáng)烈的吸收作用，加熱了所在高度(平流層)的大氣，對(duì)平流層溫度 場(chǎng)和流場(chǎng)起著決定作用，同時(shí)臭氧層阻擋了強(qiáng)紫外幅射，保護(hù)了地球上的生命。 水汽水汽在大氣中含量很少，但變化很大，其變化范圍在0-4之間，水汽絕大部分集中在低 層，有一半的水汽集中在2 公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，10-12公里高度 以下的水汽約占全部水汽總量的99。大氣中的水汽來(lái)源

13、于下墊面，包括水面、潮濕物體表面、植物葉面的蒸 發(fā)。由于大氣溫 度遠(yuǎn)低于水面的沸點(diǎn)，因而水在大氣中有相變效應(yīng)。水汽含量在大氣中 變化很大，是天氣 變化的主要角色，云、霧、雨、雪、霜、露等都是水汽的各種形態(tài)。 水汽能強(qiáng)烈地吸收地 表發(fā)出的長(zhǎng)波輻射，也能放出長(zhǎng)波輻射，水汽的蒸發(fā)和凝結(jié)又能 吸收和放出潛熱，這都直 接影響到地面和空氣的溫度，影響到大氣的運(yùn)動(dòng)和變化。雜質(zhì)和微粒 大氣中除了氣體成分以外,還有很多的液體和固體雜質(zhì)、微粒。雜質(zhì)是指來(lái)源于火山爆發(fā)、 塵沙飛揚(yáng)、物質(zhì)燃燒的顆粒、流星燃燒所產(chǎn)生的細(xì)小微粒和海水飛濺揚(yáng)入大氣后而被蒸發(fā)的 鹽粒，還有細(xì)菌、微生物、植物的孢子花粉等。它們多集中于大氣的底層

14、。液體微粒，是指懸浮于大氣中的水滴、過(guò)冷水滴和冰晶等水汽凝結(jié)物。大氣中雜質(zhì)、微粒，聚集在一起，直接影響大氣的能見(jiàn)度。但它能充當(dāng)水汽凝結(jié)的核心， 加速大氣中成云致雨的過(guò)程；它能吸收部分太陽(yáng)輻射，又能削弱太陽(yáng)直接輻射和阻擋地面長(zhǎng) 波輻射，對(duì)地面和大氣的溫度變化產(chǎn)生了一定的影響。大氣污染物隨著人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)力的高度發(fā)展，各種污染物大量地進(jìn)入地球大氣中，這就是人們所說(shuō)的 “大氣污染”。大氣中污染物已經(jīng)產(chǎn)生危害，受到人們注意的污染物大致有一百種左右，主要污染物如表 所示。大氣中的主要污染物分類(lèi)成份粉塵微粒硫化物氮化物鹵化物碳氧化物氧化劑碳粒、飛灰、碳酸鈣、氧化鋅、二氧化鉛S02、S03、H2S04 （霧）

15、、H3S 等NO、 NO2、 NH3 等Cl2、 HCl、 HF 等CO、 CO2 等0、過(guò)氧?；跛嶂≒AN ）等其中影響范圍廣，對(duì)人類(lèi)環(huán)境威脅較大的主要是煤粉塵、二氧化碳、一氧化碳、碳化氫、 硫化氫和氨等。從污染物來(lái)源看，主要有燃料燃燒時(shí)從煙囪排出的廢氣與汽車(chē)排氣和工廠漏掉跑掉的毒 氣，而煙囪與汽車(chē)廢氣約點(diǎn)總污染物的百分之七十之多。大氣中各種成分與萬(wàn)物的關(guān)系首先是大氣中的水分通過(guò)降水進(jìn)入土壤，滋養(yǎng)地面萬(wàn)物，土壤中水一方面通過(guò)植物的呼吸 和蒸發(fā)以及土壤本身的蒸發(fā)排放到大氣中，另一部分與植物和有機(jī)物的碳，氮，硫，磷元素 產(chǎn)生生物化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)呼吸與分解又向大氣排放二氧化碳，第三部分成為地表河流與地下 水，在他們流向海洋的過(guò)程中遇到動(dòng)物排泄的糞便，產(chǎn)生生物化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)物與陸地 上的碳，氮，硫，磷一起流入海洋，成為海洋生物的養(yǎng)分的一個(gè)來(lái)源，海洋生物的呼吸與分 解又把二氧化碳排放到大氣中。大氣中二氧化碳的另一個(gè)來(lái)源是人類(lèi)燃燒礦物化石（煤，石 油，天然氣等）。大氣的二氧化碳通過(guò)光和作用成為陸地植物，海洋浮游植物的成分，同時(shí) 上述生物向大氣排放氧氣。實(shí)際大氣中除了氣體成份之外，還有各種各樣的固體、液體微粒。 我們稱(chēng)懸浮著液體、 固體粒子的氣體為氣溶