8.3: 地球的大气层

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

区分地球的各个大气层
描述我们大气的化学成分和可能的来源
解释天气和气候的区别

我们生活在包围我们星球的空气海底。大气层在重力作用下压在地球表面，在海平面施加压力，科学家将其定义为1 bar（这个术语与用于测量大气压力的仪器气压计来自同一个词根）。一巴压力意味着地球表面每平方厘米的重量相当于向下压1.03千克。人类已经进化为生活在这种压力下；使压力降低或增加很多，我们就无法正常运作。

地球大气层的总质量约为5×10 ¹⁸ 千克。这听起来像是一个很大的数字，但它只是地球总质量的百万分之一左右。大气层占地球的比例小于头上的头发所代表的质量的比例。

大气结构

大气的结构如图所示\(\PageIndex{1}\)。大部分大气集中在地球表面附近，在形成云层和飞机飞行的底部约10公里内。在这个称为对流层的区域内，由地表加热的温暖空气升起，取而代之的是冷空气的下降流；这是对流的一个例子。这种环流会产生云层和风。在对流层内，随着平流层起点的上边界海拔升高到冰点以下 50 °C 左右，温度迅速降低。大部分平流层延伸到地表上方约50千米，很冷，没有云层。

alt — 图：地球大气层的\(\PageIndex{1}\)结构。图表左侧的高度向上增加，不同大气层的名称显示在右侧。在上层电离层，来自太阳的紫外线辐射可以使电子脱离原子，使大气层电离。弯曲的红线显示温度（参见 x 轴上的刻度）。

平流层顶部附近有一层臭氧层（O ₃），这是一种重型氧气，每个分子有三个原子，而不是通常的两个原子。由于臭氧可以很好地吸收紫外线，因此它可以保护表面免受太阳的一些危险紫外线辐射，从而使生命有可能存在于地球上。臭氧的分解为平流层增加了热量，扭转了对流层温度下降的趋势。由于臭氧对我们的生存至关重要，因此我们对20世纪80年代明显的证据表明大气臭氧正在被人类活动摧毁感到担忧。根据国际协议，导致臭氧消耗的工业化学品（称为氯氟碳化合物或氟氯化碳）的生产已被逐步淘汰。结果，臭氧流失已经停止，南极上空的 “臭氧洞” 正在逐渐缩小。这是协调一致的国际行动如何帮助维持地球宜居性的一个例子。

访问美国宇航局的科学可视化工作室，观看一段简短的视频，了解如果不对氟氯化碳进行监管，到2065年地球臭氧层会发生什么。

在 100 千米以上的高度，大气层非常薄，轨道卫星可以在几乎没有摩擦的情况下穿过大气层。许多原子因电子的丢失而电离，这个区域通常被称为电离层。在这些海拔高处，单个原子偶尔可以完全逃离地球的引力场。大气层持续缓慢地泄漏，尤其是轻质原子的泄漏，它们的移动速度比重原子快。例如，地球的大气层无法长时间保持氢气或氦气，而氢气或氦气会逸入太空。地球不是唯一经历过大气泄漏的星球。大气泄漏还造成了火星稀薄的大气层。金星的干燥大气层之所以演变，是因为它与太阳的距离会蒸发并分离任何水，从而使成分气体流失到太空中。

大气成分和起源

在地球表面，大气层由78％的氮（N ₂）、21％的氧（O ₂）和1％的氩气（Ar）组成，还有微量的水蒸气（H ₂ O）、二氧化碳（CO ₂）和其他气体。空气中还发现了不同数量的灰尘颗粒和水滴。

但是，对地球挥发性物质的全面普查不应只关注目前存在的气体。 挥发性物质是在相对较低的温度下蒸发的物质。如果地球稍微温暖一点，一些现在是液体或固体的物质可能会成为大气的一部分。例如，假设我们的星球被加热到水的沸点（100 °C 或 373 K）以上；这对人类来说是一个很大的变化，但与宇宙中可能的温度范围相比，变化很小。在 100 °C 时，海洋会沸腾，由此产生的水蒸气将成为大气的一部分。

要估计会释放多少水蒸气，请注意有足够的水覆盖整个地球，深度约为300米。由于 10 米水施加的压力等于大约 1 巴，因此海底的平均压力约为 300 巴。无论是液体还是蒸汽形式，水的重量都是一样的，因此，如果海洋沸腾了，水的大气压力仍将为300巴。因此，水将极大地主导地球的大气层，氮气和氧气将降至微量成分的状态。

在温暖的地球上，在地壳的碳酸盐沉积岩中会发现另一种额外大气的来源。这些矿物质含有丰富的二氧化碳。如果所有这些岩石都被加热，它们将释放大约70巴的二氧化碳，远远超过目前仅0.0005巴的_二氧化碳压力。因此，温暖地球的大气层将以水蒸气和二氧化碳为主，地表压力接近400巴。

多条证据表明，在我们星球的历史上，地球大气层的组成发生了变化。例如，科学家可以通过研究不同时间形成的矿物质的化学来推断大气中的氧气量。我们将在本章后面更详细地研究这个问题。

_{今天我们看到，二氧化碳、H ₂ O、二氧化硫（SO ₂）和其他气体是通过火山的作用从地球深处释放出来的。} （对于_二氧化碳来说，当今的主要来源是化石燃料的燃烧，它释放的_二氧化碳远远超过火山喷发产生的二氧化碳。）但是，这些看似新的气体大部分是通过板块构造俯冲的回收材料。但是我们星球的原始大气来自哪里？

地球大气层和海洋的原始来源存在三种可能性：（1）大气层本来可以与地球其他部分一起形成，因为它是由太阳形成后遗留的碎片积聚而成的；（2）它可能是通过火山活动从内部释放出来的地球的形成；或（3）它可能是由彗星和小行星从太阳系外部撞击而产生的。目前的证据支持将内部和撞击源结合起来。

天气和气候

所有有大气层的行星都有天气，这是我们给大气环流命名的名字。为天气提供动力的能量主要来自加热地表的阳光。行星的旋转和较慢的季节变化都会导致照射地球不同部分的阳光量发生变化。大气和海洋将热量从较温暖的区域重新分配到较冷的地区。任何星球上的天气都代表其大气层对来自太阳的能量输入变化的反应（生动\(\PageIndex{2}\)的例子见图）。

alt — Figure\(\PageIndex{2}\) Storm from Space：这张卫星图像显示了 2011 年的艾琳飓风，也就是暴风雨袭击纽约市前不久。地球倾斜的旋转轴、适度的快速旋转以及液态水的海洋相结合，可能导致我们星球上的恶劣天气。

气候这个术语用来指持续数十年甚至几个世纪的大气影响。气候变化（与一年到下一年天气的随机变化相反）通常很难在短时间内发现，但是随着气候的积累，其影响可能是毁灭性的。有句话说：“气候是你所期望的，天气是你得到的。” 现代农业对温度和降雨特别敏感；例如，计算表明，整个生长季节仅下降2°C，加拿大和美国的小麦产量就会减少一半。在另一个极端，地球平均温度升高2°C就足以融化许多冰川，包括格陵兰岛的大部分冰盖，使海平面上升多达10米，淹没许多沿海城市和港口，并将小岛屿完全置于水中。

有据可查的地球气候变化是大冰河时代，在过去的50万年左右的时间里，冰河时代定期降低了北半球的温度（图\(\PageIndex{3}\)）。最后一个冰河时代在大约14,000年前结束，持续了大约2万年。在高峰期，波士顿上空的冰层厚度将近2公里，向南延伸至纽约市。

alt — 人物\(\PageIndex{3}\)冰河时代。这张计算机生成的图像从俯视北极的角度显示了过去冰河时代北半球的冰冻区域。黑色区域表示最近的冰川作用（冰川覆盖），灰色区域显示有史以来达到的最高冰川水平。

这些冰河时代主要是其他行星的引力效应产生的地球旋转轴倾斜度变化的结果。我们不太确定有证据表明，大约十亿年前，至少有一次（也许是两次），整个海洋都冻结了，这种情况被称为雪球地球。

正如我们将在下一节中看到的那样，地球上生命的发展和演变也导致了我们星球大气层的组成和温度的变化。

关键概念和摘要

大气的表面压力为 1 bar，主要由\(N_2\)和以及诸如\(O_2\)、和等重要的痕量气体组成\(O_3\)。\(H_2O\)\(CO_2\) 它的结构由对流层、平流层、中间层和电离层组成。改变大气成分也会影响温度。大气循环（天气）是由季节性变化的阳光沉积驱动的。许多长期的气候变化，例如冰河时代，都与地球轨道的变化和轴向倾斜有关。

词汇表

酒吧: 作用于表面积为 1 平方米的 100,000 牛顿力；地球大气层在海平面上的平均压力为 1.013 巴

臭氧: (\(\ce{O3}\)) 一种含有三个原子的重氧分子，而不是更普通的两个原子

平流层: 对流层上方和电离层下方的地球大气层

对流层: 地球大气层的最低层，大多数天气发生在那里