大气的组成和结构

大气的组成和结构

一、大气的组成

大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分：干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒。干洁空气的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳气体，其含量占全部干洁空气的 99.996% （体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占 0.004% 左右，如表 5 － 1 所示。

由于空气的垂直运动、水平运动以及分子扩散，使得干洁空气的组成比例直到 90 － 100km 的高度还基本保持不变。也就是说，在人类经常活动的范围内，任何地方干洁空气的物理性质是基本相同的。例如，干洁空气的平均分子量为 28.966 ，在标准状态下（ 273.15K ， latm ）密度为 1.293kg /m3。

大气中的水蒸汽主要来自海水的蒸发，少量来自江河、湖泊水的蒸发以及因土壤、植物的蒸腾作用。大气中的水汽含量，随着时间、地点、气象条件等不同而有较大变化，在正常状态下其变化范围为 0.02-6% 。大气中的水汽含量虽然很少，但却导致了各种复杂的天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等。这些现象不仅引起大气中湿度的变化，而且还引起热量的转化。同时，水汽又具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面的保温起着重要的作用。

大气中的悬浮微粒，除水汽凝结物如云、雾滴、冰晶等，主要是大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质。

二、大气圈的结构

根据大气在垂直方向上温度、化学成分等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动状况，可将大气圈分为五层（图 5 － 1 ）。

（一）对流层

对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为 17 ～ 18km ；在中纬度地区为 10 ～ 12km ；两极附近高纬度地区为 8 ～ 9km 。夏季较厚，冬季较薄。

这一层的显著特点：一是气温随高度升高而递减，大约每上升 100m ，温度降低0.6 ℃ ～

0.65 ℃ 。由于贴近地面的空气受地面辐射增温的影响而膨胀上升，上面冷空气下沉，故在垂直方向上形成强烈的对流；二是密度大，对流层虽然相对于大气圈的总厚度来说很薄，但是它的质量却占大气总质量的 3/4 以上。

图 5-1 大气圈的层状结构

（—） = 负值温度垂直梯度（ + ） = 正值温度垂直梯度

在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。在 1 ～ 2km 以下，受地表机械力、热力强烈作用的影响，通称为摩擦层或边界层，排入大气的污染物绝大部分活动在此层。在 1 ～ 2km 以上，受地表影响变小，称为自由大气层，主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹的形成均在此层。对流层和人类的关系最为密切。

（二）平流层

对流层顶到 50km 的大气层为平流层。在平流层下层，即 30 ～ 35km 以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；在 30 ～ 35km 以上，温度随高度升高而升高。这是因为，在高约 15 ～ 35km 的范围内，有厚约 20km 的一层臭氧层。因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，同时在紫外线的作用下可被分解为原子氧和分子氧。当它们重新化合生成臭氧时，可以热的形式释放出大量的能量，使平流层的温度升高。平流层能大量吸收紫外线，使地球生物免受紫外线的照射，同时又对地球起保温作用。平流层的空气没有垂直对流运动，平流运动占显著优势，空气比对流层稀薄得多且干燥，水汽、尘埃的含量甚微，大气透明度好，很难出现云、雨等天气现象。

（三）中间层

从平流层顶到 80km 高度的一层称为中间层，该层空气更为稀薄，有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降，该层顶部温度可降至 -83 ～ -113 ℃ 。

（四）热成层

从 80km 到约 500km 的高空称为热成层。该层的下部基本上是由分子氮所组成，而上部是由原子氧所组成。原子氧层可吸收太阳辐射出的紫外光，因而在这层中的气体温度随高度增加而迅速增加。层内温度很高，昼夜变化很大。由于太阳和宇宙射线的作用，该层大部分空气分子发生电离，使其具有较高密度的带电粒子，故又称为电离层。电离层能反射地面发射的电磁波，对地面的无线电通讯起到十分重要的作用。

（五）逸散层

热成层以上的大气层作为逸散层，该层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逸散层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层被碰撞出地球重力场而进入太空逸散。对逸散层的高度还没有一致的看法，实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。该层的温度也是随高度增加而略有增加的。