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一）大气组成大气是由多种气体混合组成的气体和悬浮其中的水分及杂质组成。
1．干洁空气
大气中除去水汽和各种杂质以外的所有混合气体统称干洁空气。干洁空气的主要成分是氮、氧、氩和二氧化碳。这四种气体占空气总容积的99.98%，而氖、氦、氪、氩、氙、臭氧等稀有气体的总含量不足0.02%（见表1.2.1）。干洁空气各成分间的百分比数从地面直到85km高度间，基本上稳定不变。这是由于这层大气中对流、湍流运动盛行，使得不同高度、不同地区间气体得到充分交换和混合的结果。而到85km以上的高层大气中，对流、湍流运动受到抑制，分子的扩散作用超过湍流扩散作用，大气的组分受地球重力分离作用，氢、氦等较轻成分的百分比数相对增多，气体间的混合比趋于不稳定。表1.2.1表明，干洁空气各成分的临界温度很低，在自然界大气的温度，压力变化范围内都呈气态存在。
氮：按容积占干洁空气的78.09%，是大气中最多的成分，由于其化学性质不活泼，在自然条件下很少同其他成分进行化合作用而呈氮化合物状态存在，只有在豆科植物根瘤菌的作用下才能改变为能被植物体吸收的化合物。氮是地球上生命体的重要成分，是工业、农业化肥的原料。
氧：占空气总容积的20.95%，是大气中的次多成分。它的化学性质活泼，大多数以氧化物形式存在于自然界中。氧是一切生物体进行生命过程所必须的成分。
二氧化碳：在大气中含量甚少，平均为空气总容积的0.03%。它是通过海洋和陆地中有机物的生命活动、土壤中有机体的腐化、分解以及化石燃料的燃烧而进入大气的。因而，主要集中在大气低层（11~20km以下），20km以上就很少了。它是植物进行光合作用的原料，据统计，每年因光合作用用去的二氧化碳占全球二氧化碳总量的3%。它对太阳短波辐射的吸收性能较差，而对地面长波辐射却能强烈吸收，同时它本身也向外放射长波辐射，因而对大气中的温度变化具有一定的影响。近年来，由于工业蓬勃发展，化石燃料燃烧量迅速增长，森林覆盖面积减少，二氧化碳在大气中的含量有增加趋势。
臭氧：大气中含量很少，主要集中在15~35km间的气层中，尤以20~30km处浓度最大，称臭氧层。大气中臭氧主要是由于大气中的氧分子在太阳紫外辐射（0.1~0.24um波段）照射下发生光解作用（O2+hr→O+O，hr为作用光线的能量），光解的氧原子又同其他氧分子发生化合作用而形成的（O+O2+M→O3+M，M为第三种中性分子）。臭氧在太阳紫外线（大于0.2um波段）照射下也不稳定，它可能同光解的氧原子相互碰撞再解离为氧分子（O3+O→O2+O2）。因而臭氧的形成和解离过程是同时进行、相互联系的，并大体处于平衡状态。在臭氧层以上的高空，随着高度的增高，太阳短波辐射的强度明显增大，氧分子光解的强度也随之增大，到55~60km高度，氧分子几乎完全光解，以致数量太少，难以形成臭氧。而臭氧层以下的大气中，又因太阳紫外辐射的大部分已被上层氧分子吸收，透射过来的紫外线强度大大减弱，可光解的氧分子数量便迅速减少，可能生成的臭氧数量也明显减少。因而，只有在20~30km间，氧分子和光解的氧原子的数量大体相当，形成臭氧浓度最大的臭氧层。臭氧层能大量吸收太阳辐射中的紫外波段，这不仅增加了高层大气热能，同时也保护了地面的生命免受紫外线辐射伤害，得以繁衍生息。
2．水汽
水汽是低层大气中的重要成分，含量不多，只占大气总容积的0%~4%，是大气中含量变化最大的气体。大气中水汽主要来自地表海洋和江河湖等水体表面蒸发和植物体的蒸腾，并通过大气垂直运动输送到大气高层。因而大气中水汽含量自地面向高空逐渐减少，到1.5~2km高度，大气中水汽平均含量仅为地表的一半，到5km高度，已减少到地面的1/10，到10~12km，含量就微乎其微了。大气中水汽含量在水平方向上也有差异，一般而言，海洋上空多于陆地，低纬多于高纬，湿润、植物茂密的地表多于干旱、植物稀疏的地表。

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表1.2.1
干洁空气中的成分（85km以下）

气体成分	在干洁空气中含量		分子量	临界温度（℃）
	体积分数	质量分数
氮N2	78.09	75.52	28.02	-147.2
氧O2	20.95	23.15	30.00	-118.9
氩Ar	0.93	1.28	39.88	-122.0
二氧化碳CO2	0.03	0.05	44.00	31.0
氖Ne	1.8×10-3	—	20.18	-228.0
氦He	5.24×10-4	—	4.00	-257.9
氪Hr	1.0×10-4	—	83.75	-63.0
氢H2	5.0×10-5	—	2.02	-240.0
氙Xe	8.0×10-6	—	131.10	16.6
臭氧O3	1.0×10-6	—	48.00	-5.0
氡Rn	6.0×10-18	—	222.00	—
甲烷(沼气)CH4		—	16.04	—
干洁空气	100	100	28.97

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3．杂质
杂质是悬浮在大气中的固态、液态的微粒，主要来源于有机物燃烧的烟粒、风吹扬起的尘土、火山灰尘、宇宙尘埃、海水浪花飞溅起的盐粒、植物花粉、细菌微生物以及工业排放物等等。大多集中在大气底层。其中大的颗粒很快降回地表或被降水冲掉，小的微粒通过大气垂直运动可扩散到对流层高层，甚至平流层中，能在大气中悬浮1~3年，甚至更长时间。大气杂质对太阳辐射和地面辐射具有一定吸收和散射作用，影响着大气温度变化。杂质大部分是吸湿性的，往往成为水汽凝结核心。
现代大气成分以氮、氧为主，而且各种气体成分的百分比基本维持不变，这是大气长期演化的结果。我们现在还不能确切地说明地球形成初期的原始大气与现代大气形成间的联系，以及大气的演化过程。一些学者认为地球大气的演化经历了三个阶段。（1）原始大气。当地球生成初期，由于相对体积小、质量小、引力也小，由原始星云物质、气体、尘埃构成的原始大气在太阳热力、光压作用下消失殆尽。随着地球质量逐渐增大，引力增强，地球内部放射性物质受到激发，温度升高以致地球外壳物质溶融成液体状态．通过频繁活跃的火山活动，喷发出水汽、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、盐酸和多种化学元素。碳与氢作用生成甲烷．氮与氢作用生成氨。水汽在太阳紫外辐射作用下通过水解过程（光致离解）产生氢和氧，产生的氢逸出地球，留下的氧一部分以自由态存在，另一部分与甲烷作用形成二氧化碳和水。（2）二氧化碳成为大气主要成分。氧以自由态形式积累起来，并在高层形成一层薄薄的臭氧层，阻碍着紫外辐射进人低层大气，结果水解过程大为减弱。以二氧化碳为主的大气是相当稳定的，这就是第二阶段大气。（3）现代大气。当地表植物体日益繁茂，自由氧数量迅速增多，不仅为臭氧层逐渐形成准备了物质基础，而且为生命有机体的进化提供了条件，同时也加速了地球表层的氧化过程以及生物体的呼吸分解过程。丰富的二氧化碳除了成为植物体进行光合作用的原料外，还有相当部分溶于海洋或其他水体，最终成为海洋生物的成分。在地球演化过程中有大量碳化合物（动植物遗体）等被埋藏在岩石中暂时脱离碳素循环过程，导致大气中的二氧化碳大量减少，以致只占干洁空气容积的0.03%，而氧的含量明显增多。同时，由火山喷发释放入大气中的氮（占总容积的4%~6%）仍保留在大气中，由于它是惰性气体，不易同其他成分化合，在大气中得到累积，以至成为大气中数量最多的成分。这样，以二氧化碳为主的还原大气转化成地球第三代以氮、氧为主的大气了。
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近百年来，由于工业迅猛发展，大量埋藏在岩石层中的化石燃料被开发出来进行燃烧，使大气中二氧化碳的容量有所增大。随着能源需用量的增多，可能还会迅速增大，进而可能影响到自然界二氧化碳循环过程的平衡以及大气中温度的变化。因此，近来许多科学家和政界人士大声疾呼让人们注意这个引起大气中一系列连锁反应的重要课题。

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（二）大气垂直结构
大气层位于地球的最外层，介于地表和外层空间之间，它受宇宙因素（主要是太阳）作用和地表过程影响，形成了特有的垂直结构和特性。根据大气层垂直方向上温度和垂直运动的特征，一般把大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层五个层次。见图1.2.1。

1．对流层
对流层是深厚大气的最低层，厚度只有十几千米，是各层中最薄的一层。但是，它集中了大气质量的3/4和几乎整个大气中的水汽和杂质。同时，对流层受地表种种过程影响，其物理特性和水平结构的变化都比其他层次复杂。
对流层的温度随高度升高而递减。平均每上升100m气温下降0.65度，这称为气温直减率。按这样递减率，到对流层顶部气温减至-53度（极地）和-83度（赤道）。气温随高度递减主要是因为对流层大气的热能来源除直接吸收一小部分太阳辐射外，绝大部分来自地面。因而愈近地表就愈近热源，大气获得的热量就多，气温就愈高；相反，愈远离地表，气温就愈低。自然界中高空中云滴多为冰晶组成，而低空云滴多液态水滴。这种现象就是气温随高度递减的生动例证。对流层大气有强烈的对流运动，对流层由此得名。造成这层大气对流的原因，有地表（主要海、陆）受热不均引起的热力对流、地表起伏不平引起的动力湍流以及冷暖空气交汇引起的强迫升降等。这些对流运动在大气温度垂直递减的形势下得到加强和发展。对流运动的强度和伸展的高度随纬度、季节而变化，平均来说，对流层的高度在低纬地区大约17~18km，中纬度地区大约10~12km，高纬地区仅有8~9km。一般是夏季高、冬季低。
对流层中云、雨、雷、电等天气现象非常活跃。这一方面是由于空气的对流运动把地表的水汽、杂质能经常向高空输送，另一方面是高空的低温利于水汽的凝结和云滴成长为雨滴。
2．平流层
平流层是自对流层顶到55km高度间的气层。气温的垂直分布除下层随高度变化不大外，自25km向上明显递增，到平流层顶达到-3度左右。温度递增的主要原因是平流层的热能主要来源于对太阳辐射（主要是紫外辐射）的吸收，特别是臭氧的吸收。虽然臭氧的浓度自25km向上有所减小，但紫外辐射的强度随高度逐渐增强，而且空气密度随高度升高迅速减小，这就导致高层吸收的有限辐射能可以产生较大的温度增量。
平流层大气由于温度垂直分布是递增的，不利于气流的对流运动发展，因而气流运动以平流为主。夏季盛行以极地高压为中心的东风环流，冬季中高纬度则是以极涡为中心的西风环流。晚冬或早春环流调整时，高纬度往往出现下沉气流并造成爆发性增温。平流层中水汽、杂质极少，出现在对流层中的云、雨现象，在这里近于绝迹。有时在中、高纬度晨昏时的高空（22~27km）能见到绚丽多彩的珠母云（由细小冰晶组成）。平流层没有强烈对流运动，气流平稳、能见度好，是良好的飞行层次。
3．中间层
自平流层顶到85km间气层称中间层。这一层已经没有臭氧，而且紫外辐射中小于。0.175um的波段由于上层吸收已大为减弱，以致吸收的辐射能明显减小，并随高度递减，因而这层的气温随高度升高迅速下降，到顶部降到-83度以下，几乎成为整个大气层中的最低温。这种温度垂直分布有利于垂直运动发展，因而垂直运动明显，又称“上对流层”或“高空对流层”。在中间层顶附近（80~85km）的高纬地区黄昏时，有时观察到夜光云，其状如卷云、银白色、微发青，十分明亮，可能是水汽凝结物。
4．热层
中间层顶到800km高度间气层称为热层。这是一个比较深厚层次，但是空气密度甚小，其质量只占整个大气层质量的0.5%。在270km高度上空气密度仅是地面空气密度的百亿分之一，再往上就更稀薄了。热层气温随高度迅速升高。据测定，在300km高度气温已达1000℃以上。热层高温的形成和维持主要是吸收了太阳外层（色球和日冕层）发射的辐射的结果。虽然这些辐射只占太阳总辐射中的很小比数，但被质量极小的气层吸收，实际上相当于单位质量大气吸收了非常巨大的能量，产生高温。因而，被称为热层。热层中的N2、O2、O气体成分在强烈太阳紫外辐射（主要是波长短于0.1um波段）和宇宙射线作用下，处于高度电离状态，因而又称电离层。热层中不同高度电离程度不均匀。在100~200km间的E层和200~400km间的F层电离程度最强，而位于60~90km高度的D层电离程度较弱。电离层的结构和强度随太阳活动的变化有强烈的脉动。电离层具有吸收和反射无线电波的能力，能使无线电波在地面和电离层间经过多次反射，传播到远方。
5．散逸层
散逸层是指800km高度以上的大气层。这一层的气温随高度增高而升高。高温使这层上部的大气质点运动加快，而地球引力却大大减少，因而大气质点中某些高速运动分子不断脱离地球引力场而进入星际空间。这一层也可称为大气层向星际空间的过渡层。散逸层的上界也就是大气层的上界。上界到底有多高？还没有公认确切的定论。以前研究者把极光出现的最大高度作为大气层上界。因为极光是太阳辐射产生的带电离子流与稀薄空气相撞，原子受激发产生的发光现象。极光出现过的最大高度大约在1200km，因而大气上界应该不低于1200km。据现代卫星探测资料分析，大气上界大体为2000~3000km。