地球大气的组成

    过去人们认为地球大气是很简单的,直到十九世纪末才知道地球上的大气是由多种气体组成的混合体,并含有水汽和部分杂质。它的主要成分是氮、氧、氩等。在80-100公里以下的低层大气中,气体成为可分为两部分:一部分是“不可变气体成分”,主要指氮、氧、氩三种气体。这几种气体成分之间维持固定的比例,基本上不随时间、空间而变化。另一部分为“易变气体成分”,以水汽、二氧化碳和臭氧为主,其中变化最大的是水汽。总之,大气这种含有各种物质成分的混合物,可以大致分为干洁空气、水汽、微粒杂质和新的污染物。

干洁大气成份

   地球大气由多种气体混合组成。低层(85公里以下)大气的气体成份可分为两类, 一类为常定成分,主要包括氮、氧、氩,以及微量的惰性气体氖、氦、氪、氙等,它们在大气成份中保持固定的比例;第二类为可变成份,其比例随时间、地点而变,其中水气的变化幅度最大,二氧化碳和臭氧所占比例最小,但对气候影响较大,硫、碳和氮的各种化合物还影响到人类生存的环境。

  干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体,简称干空气。它的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等,其容积含量占全部干洁空气的99.99%以上。其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。

  由于大气中存在着空气运动和分子扩散作用,使不同高度、不同地区的空气得以进行交换和混合。从地面向上至到80-100公里高处,干洁空气的各种成分的比例基本上是不发生变化的。

  干洁大气的主要成份和比例如表:

干洁大气成份表

气 体

按容积百分比

按质量百分比

分子量

78.084

75.52

28.0134

20.948

23.15

31.9988

0.934

1.28

39.948

二氧化碳

0.033

0.05

44.0099


    其中对人类活动及天气变化有影响的大气成份为:

  (1) 氧气:氧气占大气质量的23%,它是动植物生存、繁殖的必要条件。氧的主要来源是植物的光合作用。有机物的呼吸和腐烂,矿物燃料的燃烧需要消耗氧而放出二氧化碳。

  (2)氮气:氮气占大气质量的76%,它的性质很稳定,只有极少量的氮能被微生物固定在土壤和海洋里变成有机化合物。闪电能把大气中的氮氧化(变成二氧化氮),被雨水吸收落入土壤,成为植物所需的肥料。

  (3) 二氧化碳:二氧化碳含量随地点、时间而异。人烟稠密的工业区占大气质量的万分之五,农村大为减少。同一地区冬季多夏季少,夜间多白天少,阴天多晴天少。这是因为植物的光合作用需要消耗二碳。

  (4) 臭氧:臭氧是分子氧吸收短于0.24微米的紫外线辐射后重新结合的产物。臭氧 的产生必需有足够的气体分子密度,同时有紫外辐射,因此臭氧密度在22—35公里处为 最大。臭氧对太阳紫外辐射有强烈的吸收作用,加热了所在高度(平流层)的大气,对平流层温度场和流场起着决定作用,同时臭氧层阻挡了强紫外幅射,保护了地球上的生命。

水汽

    水汽在大气中含量很少,但变化很大,其变化范围在0-4%之间,水汽绝大部分集中在低层,有一半的水汽集中在2公里以下,四分之三的水汽集中在4公里以下,10-12公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99%。

    大气中的水汽来源于下垫面,包括水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸 发。由于大气温度远低于水面的沸点,因而水在大气中有相变效应。水汽含量在大气中 变化很大,是天气变化的主要角色,云、雾、雨、雪、霜、露等都是水汽的各种形态。 水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射,也能放出长波辐射,水汽的蒸发和凝结又能 吸收和放出潜热,这都直接影响到地面和空气的温度,影响到大气的运动和变化。

杂质和微粒

     大气中除了气体成分以外,还有很多的液体和固体杂质、微粒。杂质是指来源于火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒、流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒,还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等。它们多集中于大气的底层。

    液体微粒,是指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。

    大气中杂质、微粒,聚集在一起,直接影响大气的能见度。但它能充当水汽凝结的核心,加速大气中成云致雨的过程;它能吸收部分太阳辐射,又能削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射,对地面和大气的温度变化产生了一定的影响。

大气污染物

    随着人类社会生产力的高度发展,各种污染物大量地进入地球大气中,这就是人们所说的“大气污染”。

    大气中污染物已经产生危害,受到人们注意的污染物大致有一百种左右,主要污染物如表所示。

大气中的主要污染物

分  类

成          份

粉尘微粒

硫化物

氮化物

卤化物

碳氧化物

氧化剂

碳粒、飞灰、碳酸钙、氧化锌、二氧化铅

SO2、SO3、H2SO4(雾)、H3S等

NO、NO2、NH3

Cl2、HCl、HF等

CO、CO2

O、过氧酰基硝酸脂(PAN)等


    其中影响范围广,对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、二氧化碳、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。

    从污染物来源看,主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气,而烟囱与汽车废气约点总污染物的百分之七十之多。

大气中各种成分与万物的关系

    首先是大气中的水分通过降水进入土壤,滋养地面万物,土壤中水一方面通过植物的呼吸和蒸发以及土壤本身的蒸发排放到大气中,另一部分与植物和有机物的碳,氮,硫,磷元素产生生物化学反应,通过呼吸与分解又向大气排放二氧化碳,第三部分成为地表河流与地下水,在他们流向海洋的过程中遇到动物排泄的粪便,产生生物化学反应,这些反应物与陆地上的碳,氮,硫,磷一起流入海洋,成为海洋生物的养分的一个来源,海洋生物的呼吸与分解又把二氧化碳排放到大气中。大气中二氧化碳的另一个来源是人类燃烧矿物化石(煤,石油,天然气等)。大气的二氧化碳通过光和作用成为陆地植物,海洋浮游植物的成分,同时上述生物向大气排放氧气。

    实际大气中除了气体成份之外,还有各种各样的固体、液体微粒。 我们称悬浮着液体、固体粒子的气体为气溶胶,悬浮在气体介质中沉降速度很小的液体 和固体粒子称为气溶胶粒子,简称气溶胶;包括尘埃、烟粒、海盐颗粒、微生物、植物 孢子、花粉等,不包括云、雾、冰晶、雨雪等水成物。最小的气溶胶粒子基本上由燃烧产生,如燃烧的烟粒,工业的粉尘,森林火灾,火山爆发等,也有宇宙尘埃。大粒子和 巨粒子的气溶胶粒子可由风刮起的尘埃、植物孢子和花粉或海面波浪气泡破裂产生。
  
    气溶胶粒子可以吸附或溶解大气中某些微量气体,产生化学反应,污染大气。气溶 胶粒子还能吸附和散射太阳辐射,改变大气辐射平衡状态,或影响大气能见度