地球大气层
地球大气层
散逸层 (600 km ~ 2000 km至3000 km)
增溫層 (80至85 km ~ 600 km)
中氣層 (50 km ~ 80至85 km)
平流层 (8至18 km ~ 50 km)
对流层 (地面 ~ 8至18 km)
地球 大氣層 (亦逕稱大氣層 )是因地球引力 束缚而聚攏在地表 (陸地及海洋)周圍的一层气体 混合物 ,其中还悬浮 有不定量的气溶胶 和颗粒物 。地球大氣層从里向外可以分对流层 、平流层 (同温层 )、中间层 、增温层 (电离层 的主体)和散逸层 五个区域,没有确切的上界,在离地表2,000—16,000公里 (1,200—9,900英里 )高空仍有稀薄的气体和基本粒子 。在洞穴 、土壤 和某些岩层 中也会存有少量氣體,也可視同大气圈的組成部分。
地球大气层的气态部分统称空气 ,主要成分為氮 (现今摩尔浓度 约78.1%)、氧 (20.8%)、氩 (0.934%)、水蒸气 (0~3%,湿度 会因局部温度 和气压 波动而变化)、二氧化碳 (0.04%)和比例不到0.03%的微量氣體 (如氦 、甲烷 、氪 等)。地球大气圈气体的总质量约为5.15× 1018 公斤 (5.15× 1015 公噸 ),相当于地球总质量的0.86ppm,由于重力 作用幾乎全部都集中在离地面100公里(62英里)的增溫層 下,其中99%在低於25—30公里(16—19英里)以內。地表大氣的高密度使得氣壓也相當驚人,海平面每平方公尺所受空氣擠壓力高達11公噸(24,000英磅),而每立方公尺 的空氣質量則可達1.29公斤(2.8英磅)之多。
作为地球表面最外侧的部分,大氣層可以降低太陽輻射 对地表直接照射的强度 ,尤其是臭氧层 可以屏蔽很大一部分紫外線 (全部的UV-C 和大部分UV-B )的电离辐射 ,其中的温室气体 也可以蓄热減少昼夜極端溫差的出現,也是生命 和生态系统 得以延续不可或缺的。
大氣的組成
地球 早期的大氣層與現今的大氣層完全不相同,富含火山 噴發氣體,例如二氧化碳 。部分地球大氣可能源於太陽系之外。[ 1] 現在的大氣層只含有極少量的二氧化碳,而富含氧氣 。其改變原因是早期的生命形式——微生物體吸入二氧化碳而排出氧氣。這些微生物 聚集在一起合稱為藍綠藻 ,依靠光合作用 製造能量,它們與早期那些製造氧氣的有機體 極為類似。
原始大氣
地球初期的大气层主要是一些在地球形成 过程中被吸积 的太阳星云 气体,其成分主要是氢气 (H2 )、氦气 (He)和一些简单的氢化物 ,比如水 (H2 O)、甲烷 (CH4 )和氨 (NH3 ),与现今的气态巨行星 (木星 和土星 )相似,但氢气和氦气因其分子量 太轻无法被地球重力 束缚通常会随时逃逸到外太空。
1953年,哈羅德·尤里 和史丹利·米勒 完成生命起源的經典實驗米勒-尤里實驗 ,發現將甲烷、氨、氫和水的混合經過放電後,會變成許多的有機化合物 ,包括生命必需的成份——氨基酸 。
早期大氣
在冥古宙 晚期,因为地表冷却固化后形成岩层 地壳 阻隔了大量地热能 ,加上当时太阳辐射较弱 (据估计只有现在强度 的70%),大气层也随即冷却,气温 降低使得空气中的水蒸气 大多凝结 落下 变成液态 的地表水 (在当时是一个超级海洋 )。进入太古宙 后,火山 释气 和后期重轰炸期 大量小行星 撞击地表 为大气层中注入了大量氮气 (N2 )、二氧化碳 (CO2 )、硫化氢 (H2 S)、二氧化硫 (SO2 )和各种惰性气体 (主要是氖 、氩 和氪 ),而二氧化硫比二氧化碳更容易溶解 在水中變成溶液 ,因此大氣中主要剩下的是氮气、二氧化碳、甲烷 和氨气 以及少量由甲烷与氨气发生反应 产生的氰化氢 (HCN)。因为这时地表、海洋和大气中都存在大量可以迅速被氧化 的还原剂 物质,大气层和海洋中都几乎没有任何游离态 的氧气 (因为随时会被还原 移除),所以也被称作“还原性大气”(reducing atmosphere)或“有生物前的大气”(prebiotic atmosphere)。
現今大氣
大氣水氣分布圖(平均值)
在约37亿年前的古太古代 ,已知最古老的生命 在深海热泉 附近出现,在当时主要利用化合作用 获取能量。之后出现了可以通过紫膜质 (视黄醛 衍生物 )或菌绿素 (卟啉 衍生物)进行不产氧光合作用 的古菌 和细菌 ,使得这些早期微生物 的菌毯 得以扩展到远离深海 的浅海 和潮间带 。在约35亿年前,能够利用叶绿素 光解 水分子进行产氧光合作用 的蓝绿菌 出现,并在之后近十亿年间不断释放双氧 这个活性 极强的副产物 ,最终耗尽了地表所有的还原剂(包括亚铁 、硫 、硫化氢 和甲烷 等)后使得游离态的氧气首次长期出现在海洋和空气中。氧气的出现一方面不利于当时以厌氧菌 为主的生物圈,另一方面因为大气甲烷 被大量氧化成二氧化碳使得温室效应 锐减(甲烷的全球变暖潜势 约为84,即作为温室气体 比二氧化碳强84倍),加上当时太阳辐射较弱 和地热活动可能恰好处于低谷期,使得全球气温骤降进入了一个长达三亿年的大冰期 ——休伦大冰期 。这极端的气候变化 也很可能造成了生命史 上最严重的一次集群灭绝 (虽然是原核 微生物 ),但也因为环境选择 压力的改变导致了好氧菌 和真核生物 的演化 。在休伦冰期终于消退后,地球在元古宙 中期进入了一个演化速度较慢的“无聊十亿年 ”,这期间大气和海洋中虽有游离氧气但浓度很低,反而有毒的硫化物 很多。
在新元古代 雪球地球 事件结束后,蓝绿菌和更能适应多变环境的原始质体生物 (绿藻 和红藻 )重新出现繁盛并大量产生新的氧气,而氧气的三原子 同素异构体 ——臭氧 也在平流层 形成了对地表有辐射保护的臭氧层 ,这使得生物圈在埃迪卡拉纪 得以出现目前所知最早的复杂多细胞生物 演化辐射 事件——阿瓦隆大爆发 。在进入显生宙 后,由淡水 绿藻演化出的早期有胚植物 (主要是非维管 的苔藓植物 )在奥陶纪 开始登陆,在志留纪 和泥盆纪 出现维管植物 的迅速辐射 并形成茂密的湿地 煤炭森林 。这些陆生植物 的繁盛使得大气层的氧气浓度首次超过10%,甚至在石炭纪 达到了远高于现今水平的35%,也为陆生动物 的繁盛创造了条件。
现今大气层的主要成份為氮 和氧 ,两者占了空气摩尔浓度 的99%,剩下的不足1%的成份为氬 、水蒸气 、二氧化碳 以及各种稀薄气体。水蒸气和二氧化碳的組成比率会因時、地和气候 不同而有所差異,其中近年来因为人类 砍伐森林 和工业化 对化石能源 的燃烧 使用导致二氧化碳變動率最大。大氣不是密度 均勻,是以海平面 的密度最大,往上密度逐降,大氣約50%集中在海拔 5.6公里(18,000英尺)內,約80%集中在海拔13公里(43,000英尺)以內。
现今大气成分
氣體
佔有量(體積比)
對生物的好處
氮氣 (N2 )
78.084 %
可通过闪电 和微生物 固氮 为植物提供生产氨基酸 必需的铵 和硝酸盐 ,以維持其生長
氧氣 (O2 )
20.946 %
真核生物 呼吸作用 的原料,还可氧化 助燃
氬氣 (Ar)
0.934 %
二氧化碳 (CO2 )
0.0398 %
光合作用 原料,产生溫室效應
氖氣 (Ne)
0.001818 %
氦氣 (He)
0.000524 % = 5.24 ppm
甲烷 (CH4 )
0.000179 % = 1.79 ppm
产生温室效应
氪氣 (Kr)
0.000114 % = 1.14 ppm
氫氣 (H2 )
0.000055 % = 0.55 ppm
一氧化二氮 (N2 O)
0.0000325 % = 0.325 ppm
一氧化碳 (CO)
0.00001 % = 0.10 ppm
氙氣 (Xe)
0.000009 % = 0.09 ppm
臭氧 (O3 )
0.000004 % = 0.04 ppm
直接接触会危害人的身体健康,但在高空臭氧层 中可抵擋对生物有害的紫外線 电离辐射
二氧化氮 (NO2 )
0.000002 % = 0.02 ppm
碘氣 (I2 )
0.000001 % = 0.01 ppm
氨氣 (NH3 )
-
水蒸氣 (H2 O)
0 % ~ 4 %
形成天氣現象并维持水循环 ,也可产生温室效应
大氣壓力
由地心引力 對地球表面的一群混和氣體所作的作用力即為大氣壓力,故以在地表最大,愈往高處壓力愈小。氣壓在海平面的平均值約1.01×105 帕(或稱巴斯卡,Pascal,簡稱Pa,國際單位制 中的壓力單位,1帕=1牛頓/米2 ),相當於76公分 汞 柱,也就是一般所稱的一大氣壓。
大氣壓力依高度遞減,在低空中每上升5.5公里,壓力約減二分之一。
大氣層垂直結構
相对其他颜色的光而言,大气中的气体散射 蓝色光较多。所以从外层空间来看,地球 就有一层蓝色光晕。正是因为如此,天空大多数时候也是蓝色的。
大氣層垂直結構大致可分為對流層 、平流層 、中氣層 、增溫層 及外氣層 ,分述如下:
對流層
最接近地面的大氣層稱為對流層,包括大气边界层 和自由大气,平均高度約10公里。對流層高度隨緯度 變化,在赤道最高約為15公里,極地最低約8公里。顧名思義,對流層是對流最旺盛的區域,也是天氣現象發生的地方。大氣中的水氣,約有80%存在於對流層,因此它也是蒸發、雲、雨等最經常出現的區域。平均而言,對流層溫度隨高度降低,每上升100公尺,溫度下降約0.6℃。
平流層
含有臭氧 ,具有吸收紫外線 功能,保護地球上所有生物的生存和地表免於受陽光中強烈的紫外線 致命的侵襲,又叫同溫層 。因為在同溫層 內部的臭氧層 有吸收太陽輻射的功能,在此層的氣溫會隨高度增加。
中氣層
此層主要成份有臭氧 、氧 、二氧化碳 、氮 的氧化物,這些部份是由光化學作用引起之產物,故又稱:光化層 。溫度隨高度上升而下降。
增溫層
又稱熱氣層,空氣極稀薄,而離子特別多。溫度相當高,且隨高度升高而溫度升高。
外氣層
外太空的起點,含元素 中最輕的兩種氣體:氫 (H)及氦 (He)。
空氣污染
在装置硫氧化物过滤器前,这座在新墨西哥州 的发电厂 排放了过量的二氧化硫 。
指大氣中某些物質超過一定的限量,或多出某些物質的現象。空氣污染的程度取決於污染源、大氣的轉移及接受物。
污染源
燃燒石化燃料所产生的物質是空氣污染最主要的來源,因為燃烧所产生的二氧化碳若是過多,会引起溫室效应 。汽車引擎中,汽油燃烧不完全会排放出一氧化碳,当一氧化碳进入肺部,它比氧更容易与血紅素 形成稳定的化合物,降低血液 运送氧氣的功能,严重的话会造成窒息死亡。
大气主要污染物之一。当二氧化硫和三氧化硫溶於水中,會形成亞硫酸和硫酸 ,这是酸雨 的主要成分。由于煤和石油通常都含有硫化合物,因此燃烧时会生成二氧化硫。二氧化硫具有酸性,可与空气中的其他物质反应,生成微小的亚硫酸盐和硫酸盐颗粒。当人体吸入这些洨时,它们将聚集于肺部 ,是呼吸系统 症状和疾病、呼吸困难,以及过早死亡的一个原因。
大氣的轉移
意謂大氣減輕空氣污染的天然程序;雖然大氣能夠減輕污染,但有其極限,並不是無止盡的清除。
接受物
指對污染接受的程度,接觸污染物的歷程很重要,有些生物體內的功能,可以排除某些污染物,然而也有的污染物會積存在身體內,導致生病或死亡。
参考资料
參考書目
相關條目
外部連結