地球大气圈详解及其环流、温度分布

地球大气圈是包围着海洋和陆地的一层混合气体。虽然地球大气只占地球质量的微小部分，但与人类生活息息相关。人类呼吸大气中的氧而生存。大气屏蔽太阳紫外辐射和高能宇宙线及流星体的高速轰击，保护地表生命，又通过气象和风化过程改造地表，影响生命。

1）气压定律和大气成分

地球大气的99.9%质量集中在海拔高度50 km以下的低层，随高度增加而越来越稀疏。海平面气压p（0）为1个大气压（1.01325 bar或101325 Pa），气压p随高度h按气压定律变化：

式中，H称为“标高”，可以代表大气的有效厚度；T为绝对温度（K）；g为重力加速度；m为平均相对分子质量；k为玻耳兹曼常数。取T=15℃，H≈8.43 km。气体密度也如式（5-3）指数规律变化。

在高度100 km以下的低层大气中，各种成分混合均一。主要气体成分的体积混合率（所占体积或数目的百分比）列于表5-1。

表5-1　地球大气的主要成分（体积百分比）

*1 ppm=0.0001%=10-6。

水汽随地域和时间变化，二氧化碳和甲烷随人类活动而增加。此外，臭氧（O3）层（0.03～0.063 ppm）主要存在于高度为15～35 km的范围内。臭氧层吸收太阳的紫外辐射，保护人类不受其危害。但含氟的制冷剂物质会破坏臭氧层，造成臭氧洞（见图5-15），因此禁用含氟制冷剂。大气中还有一氧化碳（CO，0.15 ppm）、二氧化硫（SO2）等微量成分。此外，大气中还有称为气溶胶的悬浮微粒，包括硫酸（主要是火山喷发的，高度为20～30 km）、硫酸盐、硅酸盐、海盐、水滴和冰晶、有机物，陨落的宇宙尘及陨石烧蚀物。

2）地球大气的性质和分层

地球大气的温度和成分等性质主要随高度变化（垂直分布），也随纬度或区域以及时间而变化，可以根据大气温度、成分、电离程度的垂直分布进行大气的结构分层。

根据大气温度的垂直分布，常把大气分为四个圈层：对流层、平流层、中层、热层（见图5-16）。热层以上是气体极稀疏的（密度不到107分子／厘米3，海面1019分子／厘米3）外大气层。高度1000 km以上，一直延展到60000 km，主要是氢和氦，受太阳的赖曼α辐射激发而有微弱辐射，此气晕称为地冕。

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图5-15　南极上空的臭氧洞（中央暗区）

按气体混合状况，大气分为两大层：以高度85 km为界，下面为均质层，上面为非均质层。据气体电离程度，地球大气分为两层：以高度70 km为界，下面为中性层，上面为电离层。高层大气的气体被太阳X射线离解为离子和电子而形成电离层，按电子密度的垂直分布又分为D、E、F1、F2层，它们依次反射长波、中波到短波的无线电信号。只有频率为30 MHz以上的超短波和微波才可以穿过电离层而用于宇航通信及天体射电观测。

3）大气环流

大气中各处温度和压力的差别驱动空气运动，空气不同规模运动总称为大气环流，成为影响各种天气和气候的主要因素。地球大气环流可分为如下四种。

图5-16　地球大气的温度分布与结构分层

图5-17　地球大气环流

（1）哈德莱环流（Hadley cell）哈德莱环流由不同纬度的温差驱动。在赤道区，近地表的热空气上升到高空，转而流向高纬冷区下降，再从低处流回赤道区。地球南、北两半球各有三个环型（见图5-17）。如果地球没有自转，哈德莱环流仅沿经圈进行；实际上，地球自转使北半球气流偏向右，而南半球气流偏向左，表现为低纬区近地表的贸易风（因此航海和航空可以“借东风”），而在中高纬甚至导致东西风。

（2）斜压涡流　斜压涡流是因流体力学不稳定性使大尺度运动变为小尺度的涡流，对天气变化很重要的气旋（低气压区）和反气旋（高气压区）就是这种涡流。典型的气旋有六对，对于向上和向极区转移热量起主要作用，也往对流层上部转移动量来维持高速的东西向急流。

（3）稳态涡流或驻波　稳态涡流由地形（如大的山脉脊）或海陆温差产生，绕纬度圈有2～3个典型波长。它们把动量从对流层转移到平流层，影响平流层的环流。

（4）热力潮　热力潮由太阳直接照射区与未照射区之间的温差产生。地球大气的热力潮较弱。

4）温室效应

如果没有大气层，地球的白天温度会很高，而夜间温度会很低。假如仅靠太阳光直接照射，地表平均温度只达-18℃，那么，水就要结冰，生命难以存在！实际上，地表温度约15℃。原因何在？这是由于地球大气的水汽、二氧化碳、甲烷、氧化氮和臭氧有类似温室玻璃的作用，即它们透过太阳可见光而加热地表，但它们吸收地表的红外热辐射而加热大气，再返回加热地表，因此热量积累而温度增高，称为温室效应。于是地表平均温度提高，变得温暖而适于生命。但随着人类活动排放到大气中的二氧化碳增加，全球变暖，两极冰融化，将导致海面上升，乃至淹没沿海地区，造成灾难！因此，国际协议节制二氧化碳排放。