大气的组成与垂直分层

引入

大气看不见摸不着,但它对地表温度、天气变化和生命存在起着决定性作用。

为什么飞机要在万米高空飞行?为什么登山运动员需要氧气瓶?

大气不是均匀的一团气体,不同高度的温度、气压、成分差异巨大。

理解大气的第一步,是搞清楚它由什么组成,以及它在垂直方向上如何分层。

正文

定义

大气是包围地球的气体层,由多种气体、水汽和固体杂质组成。大气层按温度垂直变化可分为若干层,其中与人类关系最密切的是对流层。

大气的组成

成分	体积分数	作用
氮气 $\mathrm{N}{}_2$	$78.08\%$	生物体蛋白质的重要组成部分
氧气 $\mathrm{O}{}_2$	$20.95\%$	维持生命活动,参与燃烧和氧化
氩气 $\mathrm{Ar}$	$0.93\%$	惰性气体
二氧化碳 $\mathrm{CO}{}_2$	$0.04\%$	光合作用原料,温室气体
臭氧 $\mathrm{O}{}_3$	微量	吸收紫外线,保护生命
水汽 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	$0\sim 4\%$（变化大）	成云致雨,调节温度
固体杂质	微量	凝结核,影响大气质量

干洁空气是指除去水汽和杂质后的大气,其成分比例在 $80\mathrm{km}$ 以下基本稳定。

**水汽的重要性:**虽然含量很少,但水汽是天气变化的关键角色——没有水汽就没有云和降水。水汽含量随地区和时间变化:热带海洋上空多,沙漠和极地上空少。

**二氧化碳的作用:**虽然只占 $0.04\%$,但 $\mathrm{CO}{}_2$ 能吸收地面长波辐射,是重要的温室气体。工业革命以来,大气 $\mathrm{CO}{}_2$ 浓度从约 $280\mathrm{ppm}$ 上升到 $420\mathrm{ppm}$ 以上。

大气的垂直分层

按温度随高度的变化,大气层从下到上分为五层:

层次	高度范围	温度变化	特点
对流层	$0\sim 12\mathrm{km}$（低纬 $17\sim 18$,高纬 $8\sim 9$）	随高度升高而降低（$-6.5{}^{\circ }C/km$）	天气现象发生,空气对流强烈
平流层	$12\sim 50\mathrm{km}$	随高度升高而升高	臭氧层在此,气流平稳,适合飞机飞行
中间层	$50\sim 85\mathrm{km}$	随高度升高而降低	温度极低
热层	$85\sim 600\mathrm{km}$	随高度升高而升高	电离层在此,反射无线电波
外层	$>600\mathrm{km}$	—	逐渐过渡到星际空间

对流层

对流层是大气的最底层,也是与人类生活关系最密切的一层。

主要特征:

• 气温随高度升高而降低（每升高 $1\mathrm{km}$,气温下降约 $6.5{}^{\circ }\mathrm{C}$）
• 空气对流运动显著:地面受热 → 空气膨胀上升 → 高空冷却下沉
• 几乎全部的水汽和固体杂质集中在此层
• 云、雨、雪、雾等天气现象都发生在对流层

厚度变化:

纬度	对流层厚度	原因
低纬（赤道）	$17\sim 18\mathrm{km}$	地面受热强,对流旺盛,顶界高
中纬	$10\sim 12\mathrm{km}$	中等
高纬（极地）	$8\sim 9\mathrm{km}$	地面受热弱,对流弱,顶界低

平流层

主要特征:

• 气温随高度升高而升高（臭氧吸收紫外线,加热空气）
• 气流以水平运动为主,平稳
• 水汽极少,天气晴朗
• 适合高空飞行（商业航班巡航高度约 $10\sim 12\mathrm{km}$,位于对流层顶或平流层底）

**臭氧层:**位于平流层中（$20\sim 30\mathrm{km}$）,臭氧浓度最高。臭氧能吸收太阳紫外线辐射,是地球生命的”保护伞”。臭氧层破坏会导致皮肤癌增加、生态系统受损。

对流层气温垂直递减率

$\gamma =6.5{}^{\circ }\mathrm{C}/\mathrm{km}$

即每升高 $100\mathrm{m}$,气温下降约 $0.65{}^{\circ }\mathrm{C}$。

逆温现象:有时气温不随高度升高而降低,反而升高,这叫逆温。逆温层像一个”盖子”,抑制空气对流,导致污染物难以扩散,容易形成雾霾。

逆温类型	成因	常见场景
辐射逆温	夜间地面强烈辐射冷却	冬季晴朗夜晚,山谷
平流逆温	暖空气流过冷地面	暖锋过境
地形逆温	冷空气沿山坡下沉到谷底	山谷、盆地

引出

气温和气压在水平方向上如何分布?等温线和等压线怎么读?

平流层的臭氧为什么会被破坏?氟利昂是如何催化分解臭氧的?

逆温为什么是大气污染的重要气象条件?

参考:气温与气压、大气环流、气候变化