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话说地球大气  

2014-05-11 15:00:03|  分类: 感怀自然 |  标签: |举报 |字号 订阅

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话说地球大气

秋雨

一、地球大气的形成

茫茫宇宙之中有一个银河系,就在银河系的偏外沿位置,一颗恒星带着8颗行星,行星在不停地绕着恒星旋转运动,这就是太阳系。自恒星太阳向外数,第三颗蓝色星体就是地球。

地球从诞生到现在,经历了几十亿年巨大的沧桑变化,地球古今的大气是完全不同的。关于地球大气的形成和演化过程,科学界比较认可的大致历经三个阶段,也就是:原始大气阶段、次生大气阶段和今日大气阶段。

●原始大气阶段

原始大气是伴随着地球的诞生而形成的。太阳系起源的星云说是天文学界最流行的观点,这一观点认为:太阳系的行星来源于围绕在太阳周围的原始星云,地球是在大约46亿年前凝结而成的,地球形成的时候,周围就已经包围了大量的气体,这就是原始大气。原始大气主要是由氢和氦组成,还有一些甲烷和氨等气体。地球初期的地核内部铁核心尚未形成,引力较小,炽热的地表又能使这些气体获得较高的能量,因而原始大气不久就从地球上逃逸消失。

●次生大气阶段

过了几千万年,由于温度的下降,地球的表面发生冷凝现象,形成了比较薄弱的固体地壳。此时,地球内部的高温促使火山频繁活动,火山爆发时所形成的挥发气体,以及熔岩和蒸汽孔喷发出的气体,代替了原始大气,成为次生大气。次生大气的主要成分是水汽、二氧化碳和氮气等气体。这一时段,地球的铁核心已经形成,次生大气与地球的固体物质之间互相吸引、相互依存,成为地球的第二代大气。

●今日大气阶段

大约距今30亿年,地球上还没有氧气。随着时间的推移,次生大气中丰富的水汽逐渐转变成云雨,进而形成地球上的江河湖海。云雨中出现电闪雷鸣,闪电使大气层中生成有机物,有机物随雨水进入原始海洋。大约又经历了10亿年的演化,一种叫蓝藻的低等植物,开始吸收阳光和二氧化碳,加工形成碳水化合物,并吐出氧气,这就是最原始的光合作用。蓝藻的这种光合作用,一方面使大气中的氧气慢慢多起来,另一方面也使高空中臭氧的浓度明显增加,最终形成了臭氧层。早在20多亿年前,今日大气就随着植物的登陆形成了。

直到17世纪以后,科学家们才认识了今日大气。原来,今日大气是由干洁空气和水汽以及杂质微粒组成的混合体。干洁空气,是指除去水汽和微粒杂质后的纯净大气,由多种气体混合组成,其中,氮气和氧气容积含量分别为78%和21%,氩气、二氧化碳、氖气、氦气、氪气、氙气、臭氧等所占空气体积极其微小。

二、大气的垂直分布

现代探测表明,地球大气圈没有确切的上界,在3千至2万km的高空仍有稀薄的气体和基本粒子存在。按其成分、温度、密度和稳定度等物理性质在垂直方向上的变化特征,自下而上可分为5层:对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。

●对流层

大气圈最低的一层,该层大气紧贴地球表面。对流层约有10km厚,且随季节和地理位置不同而不同,不及整个大气层厚度的1%,但却集中了整个大气质量的3/4和几乎全部的水汽,云雨、电闪等主要天气现象均发生在这一层,也是对人类活动影响最大的一层。

●平流层

从对流层的顶部到55km左右的这一层为平流层。在平流层下部,气温随高度升高保持不变或微有上升,大约到30km以上后气温随高度升高而显著升高,即出现逆温。这是平流层内存在的大量臭氧吸收太阳紫外辐射所致。平流层气流平稳,民航飞机、热气球就在平流层下部飞行,流星、流星雨多能划入平流层上部和中部。

●中间层

自平流层顶部到85km左右的这一层为中间层。气温在这一层随高度的增加而迅速下降,在顶部可降到-90℃左右。由于该层大气上部冷、下部暖,致使空气产生对流运动,故中间层又称为高空对流层。

●热层

从中间层顶至250km(太阳宁静期)或500km左右(太阳活动期)的这一层为热层,又称暖层。在热层中,由于氮原子和氧原子吸收了大量的太阳紫外辐射,因而气温随高度增加而迅速升高,在300km左右高度处的气温可高达1000℃以上。

由于空气密度小,在太阳紫外线和宇宙射线的作用下,氧分子和部分氮分子被分解,并处于高度电离状态,产生带电离子和自由电子,从而形成电流和磁场,并可反射无线电波,因此该层也称为电离层。正是由于有了电离层的存在,无线电波才可以传得很远。

低轨人造卫星、太空实验室、航天飞机、火箭等均在这一层中运行。极地附近的热层中,夜晚还可观测到一种大气光学现象——极光。

●散逸层

热层顶以上的大气层统称为散逸层。它是大气的外层,也是大气的最高层,最高高度可达到3000km。同步人造卫星在这一层运行,登月飞船、前往太空深处的宇宙飞船等,也要经过这一层,极光也出现在这一层。

●地冕

宇宙火箭的探测资料表明,地球大气圈之外,还有一层极其稀薄的电离气体,其高度可延伸到2.2万km的高空,称之为地冕。地冕也就是地球大气圈向宇宙空间的过渡区域,人们形象地把它比作是地球的“帽子”。由此可见,大气层与星际空间是逐渐过渡的,并没有截然的界限。

地球绕着太阳在不停地自转和公转,接收着来自太阳的热量。正是由于有了大气圈,白天它阻挡了来自太阳强烈的短波辐射,并吸收对地球有害的紫外线辐射,保护地球免受太阳全部光线的暴晒及紫外线的伤害;夜间它又阻挡了地球表面的长波辐射,防止地表热量完全扩散到宇宙空间,从而为地球上的人类和一切生物创造了比较适宜的生存环境。人类生活在大气层的底部,历经着冷暖阴晴和雨雪风霜。大气的状态和变化,时时处处影响着人类的活动和生存。

三、大气中某些成分的是非功过

●臭氧保护着地球上的生命

人类真正认识臭氧是在150多年前,由德国化学家先贝因(Schanbein)博士首次提出。水电解及火花放电中产生的臭味,同自然界闪电后产生的气味相同,因这种气味难闻,被先贝因博士命名为臭氧。顾名思义,臭氧带有臭味。大气中的臭氧集中分布在距地面20~50km的高空,这就是所谓的臭氧层。

地球上的一切生物离开太阳光就没有生命。太阳光由可见光、紫外线、红外线3部分组成。进入大气层的太阳光(包括紫外线)有55%可穿过大气层照射到大地与海洋,其中40%为可见光(是绿色植物光合作用的动力),5%是紫外线。长波紫外线能够杀菌;中短波紫外线对人体和生物有害。

过量的紫外线会使人和动物免疫力下降,最明显的表现是皮肤癌的发病率增高,甚至使动物和人眼睛失明。植物和微生物会因为承受不了紫外线的强烈照射而死亡,海洋中首当其冲的是浮游生物。由于海洋中的浮游生物可以大量吸收温室气体,因此浮游生物的死亡又会产生连锁反应,使海洋中的其他生物相继死亡,并最终影响人类的活动。

所幸的是,当紫外线穿过大气层时,绝大部分被臭氧层吸收,因此臭氧层就成为地球一道天然屏障,犹如给地球戴上一副无形的生命保护罩,使地球上的生命免遭强烈的紫外线伤害。臭氧层吸收了太阳光中大量的紫外线,促使植物从海水中爬上陆地,并在比较温暖和湿润的气候中尽情地生长、繁殖、演变和进化,地球最终变成了生命的伊甸园。

20世纪70年代,地球南极上空的大气层中,臭氧的含量开始逐渐减少,尤其在每年的9-10月(南半球的春季)减少更为明显。美国的“云雨7号”卫星进一步探测表明,臭氧减少的区域位于南极上空,呈椭圆形,1985年已和美国整个国土面积相当。这就好像天空塌陷了一块似的,科学家把这个现象称为南极臭氧洞。南极臭氧洞的发现使人们深感不安,它表明包围在地球外的臭氧层已经处于危机之中。1989年,科学家发现北极上空的臭氧层也已遭到严重破坏,但程度比南极要轻一些。

若臭氧层全部遭到破坏,太阳紫外线就会杀死所有陆地生命,人类也会遭到灭顶之灾,地球将会成为无任何生命的不毛之地。南极臭氧洞的发现,引起了国际社会的高度重视,世界各国纷纷行动起来。臭氧层是脆弱的,保护工作任重道远。

●水汽犹如冷暖变换、成云致雨的魔术师

水汽在大气中的含量很小,所占体积百分比在0%~4%之间变化。大气中的水汽来源于下垫面,包括水面、潮湿物体表面的蒸发,以及植物叶面的蒸腾。水汽在大气中的含量尽管很小,但它却是天气变化的重要角色。

水汽的致暖作用,并不仅仅因为它是温室气体,还在于它在相态变化中产生的潜热。灌水所以能预防霜冻,一是因为近地层水汽含量增大可增强温室效应;二是因为一旦降温,富含水汽的近地面层可形成露或雾,而水汽在凝结成露珠和雾滴过程中可释放潜热。温室效应及释放潜热的双重增温作用,可阻止地面继续降温。

水汽的相态变化也同样有致冷作用。夏季,同一地区的(河、湖)水面温度低于地面温度,除水体以对流方式传热及热容量大外,还有水面蒸发吸热过程的贡献。酷热的夏季,一场雨会带来凉爽的感觉,同样应感谢雨水在蒸发过程中的吸热功能。

水汽和水并无本质的区别,只不过一个是气态,一个是液态。水汽是大气中唯一能发生相态变化的成分。正是这种相态的变化,才形成了露、霜、云雾、雨雪等五彩缤纷的大气现象--缤纷气象。

●二氧化碳的是非功过

二氧化碳是空气中常见的化合物,固态二氧化碳俗称干冰。二氧化碳是一种温室气体,可产生温室效应。

1820年之前,没有关注过地球是如何获取热量的这一问题。正是在那一年,法国著名数学家、物理学家让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶(Jean Baptiste Joseph Fourier)开始研究这一问题。得出结论:尽管地球确实将大量的热量通过辐射返还回太空,但大气层还是拦下了地球辐射中的一部分,并将拦截的这部分辐射通过自身辐射重新返还地球表面。他将大气比作一个顶端由云和气体构成的能够为地球保留足够热量的巨大钟形容器。1824年,他发表了《地球及其表层空间温度概述》,但直到19世纪末才被人们重新记起。

并不是地球大气中所有气体成分都参与了对地球辐射的拦截并通过自身辐射为地球保暖的,其中大部分只是袖手旁观者,只有水汽、二氧化碳等才是有功之臣,因此它们才是大气中名副其实的温室气体。

水汽虽是大气中最主要的温室气体,但与二氧化碳不同,水汽可以凝结成水或凝华成冰,因此大气中的水汽含量基本稳定,不会出现像其他温室气体那样的累积现象。而二氧化碳浓度却有逐年增加的趋势。大气中二氧化碳浓度增加的主要原因是工业化以后大量开采使用矿物燃料。大气中二氧化碳增加的另一个主要原因是采伐树木作燃料。有人测算,如果按目前温室气体浓度的增加幅度,到21世纪30年代,温室气体增加的总效应,将相当于工业化前二氧化碳浓度加倍的水平,可引起全球气温上升1.5~4.5℃,超过人类历史上发生过的升温幅度。由于气温升高,两极冰盖可能缩小,融化的雪水可使海平面上升20~140cm,对海岸城市会有严重的直接影响。

大气中的二氧化碳是植物光合作用合成碳水化合物的原料,它的增加可以增加光合产物,无疑对农业生产有利。同时,它又是温室气体,对地球热量平衡有重要影响,因此它的增加又影响气候变化。科学家们几乎不约而同地认为,大气中温室气体(主要是二氧化碳)的增加,是20世纪中后期以来全球气候变暖的直接原因。因此,限制二氧化碳等温室气体的排放,将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平,进而防止剧烈的气候改变对人类造成伤害,不仅是科学家们的呼声,也是世界各国的共识。

●大气中杂质的是非功过

悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒及细菌、微生物、植物的孢子与花粉等,多集中于低层大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧;尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒,以及火山爆发产生的火山灰、流星燃烧的灰烬;盐粒则是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的。大气中的固体杂质微粒来源于火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的尘埃和烟粒、流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅进入大气后被蒸发形成的盐粒。

大气中的固体杂质,能吸收部分太阳辐射,提高大气温度;白天能削弱太阳到达地面的辐射,影响地面温度升高;夜间能阻挡地面长波辐射,影响地面温度降低。

大气中的固体杂质,可降低大气透明度,直接影响大气的能见度。霾和沙尘天气,均是固体杂质在作怪。

固体杂质还能充当水汽凝结的核心,催化了水汽凝结现象的发生,加速大气中成云致雨的过程,是成云致雨的催化剂。

四、外一节:人是大自然的产物

中国河南淮阳有一座太昊陵,据说是伏羲的墓冢,伏羲被尊为人祖,于是太昊陵又称人祖墓。6000多年前,伏羲率领部落沿着渭河谷地进入关中,出潼关,傍崤山、王屋山、太行山东迁,而后折向东南,最后来到气候温和,地势平坦,适宜居住的河南淮阳。伏羲死后,其妹女娲代理首领,继伏羲兄妹之后,炎帝神农氏称王,定都于淮阳,自此称淮阳为陈。

战国时的鸿沟自陈流过,西汉时鸿沟成为狼汤渠,魏晋时狼汤渠被称为蔡水,成为南北水运要道,至唐末堙废。当年陈地的荷花出现在《诗经》之中,采自淮阳、郑州地域的《陈风》《郑风》中有《泽陂》《山有扶苏》,其中的“彼泽之陂,有蒲与荷”,“山有扶苏,隰(xi)有荷华”成为华夏荷文化最早的文字,如今的淮阳城四周万亩龙湖之中依然荷花飘香。

相传伏羲当年就在蔡水之滨造人。他用泥土捏出许多男人和女人,然后挖出土窑洞,把泥人放进窑洞中烧制。因第一次烧制没有经验,烧了很长时间扒开一看,全部烧制成了黑色,伏羲心里很不高兴,于是便把所有黑人抛到了非洲。伏羲继续第二次烧制,但由于把时间记错,烧的时间不够,扒开看时全成了白色,伏羲一气之下把白人扔到了欧、美大陆。第三次烧制得很好,全是黄色,伏羲高兴地把黄色的留在身边。

这些作为导游解说员的故事无可非议,但作为科学是不行的。伏羲无非是远古的人,在他之前早已有了人类,那个时间相当于仰韶文明时期,裴李岗文明已经开启了2000年,已经进入远古农业文明。在黄河流域孕育中华古文明的同时,地球上其他地域也在孕育着人类早期的文明。譬如与华夏古文明同期的就有:古埃及文明、巴比伦文明、印度河文明、玛雅文明。地球气候、生态环境在史前文化特征的形成和社会发展的过程中,发挥着重要作用。创造地球人类的是大自然,尤其是气候环境和气候变化,而劳动又创造了人本身。

恩格斯在《自然辩证法》中指出劳动创造了人本身,这一观点集中表述在《劳动在从猿到人转变过程中的作用》一文中。细读恩科斯著作原文可以发现,劳动创造了人本身这一命题是在自然创造了人的大前提下提出来的,许多人习惯于不加任何前提,到处使用劳动创造了人本身这一命题,这一行为正好与自然创造了人这一大的命题对立起来。

人类学会了在任何气候环境下生活,分布在所有可以居住的地面上,从原来居住的总是炎热的地带,迁移到比较冷的、在一年中有冬夏春秋的地带后,就产生了新的需要,需要有住房和衣服来抵御寒冷和潮湿,需要有新的劳动领域以及由此而来的新活动,后来又从物质的需求发展到物质和精神的多种需求,这就使人离动物愈来愈远了。

所以说,劳动只是创造了人本身,人和人本身是有很大区别的,劳动是在大自然创造了人类的大背景下才实现了创造人本身,恩格斯的著作原文中表述得很清楚。因此可以得出结论:首先是大自然,尤其是气候环境和气候变化创造了人,然后才是劳动创造了人本身。


 

凯悦 2014-5-11 16:46

大自然的千变万化,时刻影响着人类的生存和生活。从老师文章中学到许多气象知识,史前文明,历史文化。

淇奥梦 2014-5-11 22:35

今天是母亲节,祝天下所有的母亲快乐!苍穹也为天下母亲祝福,今天月球与火星一同从东方升起,犹如母子携手。可惜大气受到污染的地区看不到这一景象,真是遗憾!

 

夕雨 2014-5-11 17:44

哈哈,旅美记者文采飞扬。问好。

淇奥梦 2014-5-11 22:31

俺来了大洋彼岸,深圳那边全城内涝,遭了雨灾,派谁去那边看了?水火无情,该援手时就援手,深圳人民在历次抢险救灾中都冲在前面。

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