大气的形成.docx
《大气的形成.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大气的形成.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
大气的形成
科学界普遍认为，地球大气层的形成，一方面与地球和地壳的形成有关，另一方面又与动植物的出现有关。
用先进的技术手段可以描述地球大气层的演化过程。
最初，当地球刚由星际物质凝聚成疏松的球团时，地球内部和表面都有不少气体，其中氢气约占90%。
后来，由于地心引力的作用，疏松的球团不断收缩变小，地壳逐渐凝固。
这时，最后被挤出地壳的气体，被地心引力拉住，围在地球表面，形成了最初的大气层。
最初的大气层是很薄的，大气成分也与现在的大不相同，主要是水气、氢、氦、氨和惰性气体。
地壳凝固起来后，在很长时间内，地球内部又因放射性元素的作用而不断发热，造成地层大调整，使地壳内和岩石中的气体和水分涌到地面，既增加了大气层又增加了空气中的水蒸气。
水蒸气在阳光的作用下，一部分分解的氢和氧，又经过一系列分解组合，产生了二氧化碳和氮等气体。
这样，大气层中的空气，主要成分就变成为水汽、氮、二氧化碳和氧，比最初的大气层前进了一大步。
特别是有了氧气，为出现生命创造了条件。
据近年来用同位素测定，地球自生成以来已有50多亿年的历史。
上面提到的大气层，是经过30多亿年的演变才形成的。
大约距现在18~19亿年前，水里面开始有生物生成；7~8亿年前，陆地上开始出现植物；5亿年前，地球上动物增加很快。
植物、动物的出现和大量繁殖，改变了原始大气层的空气成分，最后逐渐稳定下来，地面附近的大气就构成了现在的成分，其中氮气约占78%，氧气约占21%，氩气约占1%，其它气体总和不到1%。
从大气层的形成及演化过程可以看出，动、植物即生态环境对大气层质量起关键作用，因此，保护生态平衡，对于维持我们赖以生存的大气层是至关重要的。
氧与臭氧这对氧氏兄弟，是大气中非常重要的气体成分。
氧是人类和动植物呼吸、维持生命必不可少的气体，它的作用自不待言。
臭氧在大气中含量虽少，作用却不小。
它是大气中唯一能吸收大量来自太阳紫外线辐射的气体，是地球生命的“保护伞”。
氮是大气中含量最多的成分，在常温下是不活泼的，人和动物不能直接利用它，但植物的生长却离不开它。
空中闪电能把大气中的氧和氮结合成一氧化氮，然后被雨水吸收并在土壤中成为硝酸盐。
氮肥是植物生长过程中最重要的三种要素棗氮、磷、钾之一。
水汽，在大气中的含量也很少，而且主要集中在2-3公里以下的大气层中。
水汽量虽然少，却是天气变化的主要角色。
云和雾，没有水汽就不能形成；雨和雪没有水汽也不能形成；霜和露等凝结现象，没有水汽同样不会出现。
可见，水汽在天气变化的舞台上的作用是何等重要。
水汽还有一个特点，即由于蒸发和凝结，要吸收和放出潜热。
它又能够强烈地吸收和放出长波辐射，对地面和空气的温度也有一定影响。
1.2大气有多重？
大气，虽然看不见也摸不到，但现在我们都知道它是有重量的。
可是你也许不会想象得到大气层的整个质量有5.3×1015吨之巨！
也就是说，如果用一个巨大的天平来称量大气层的质量的话，一端放上大气层，那么另一端就要放上一个直径100千米的大铜球，或者是放上5座喜马拉雅山！
1.2.1第一次证明空气有重量的试验
在古代，虽然古希腊的一些哲学家，如柏拉图等已经假定空气是有重量的，可是他们无法称出这个重量，因而人们一直认为空气是没有重量的。
到了17世纪，伟大的科学家伽里略做了试验，证明了空气是有重量的。
最早的试验很简单，伽里略用气泵向一个大玻璃杯打足气，也就是用加压的办法使瓶中多装一些空气。
这时，用天平称称它的重量，记下来。
然后，把瓶口打开，那些多装的空气跑了出来，这时再称称重量。
结果，瓶子变轻了。
这是为什么呢?
伽里略认为，这是打进去的空气又跑出来的缘故。
很显然减轻的重量应当为跑出来的空气的重量。
接着，伽里略又做了一个试验，想找出空气的比重。
他找一个装满空气、又不让空气漏掉的圆筒，然后把水灌进圆筒，使水占有圆筒四分之三的容积。
换句话说，把圆筒的空气压缩到原来体积的四分之一。
设放进圆筒的水重l千克，但圆筒称了后，重量却超过了水重加上原来圆筒的重量。
这超过的重量恰是圆筒内被水压缩的那四分之三容积的空气重。
这时只要将这个超出数除以水重就得出了空气的比重。
伽里略计算的结果，空气的重量只有水重的四百分之一，即0.0025克/每立方厘米，但这个数字是不准确的，因为后来人们用精确的试验测定，在接近地面的空气层里，l立方厘米的空气重0.00129克。
1.3大气层有多厚棗天有多高？
天到底有多高呢？
人类一直在孜孜以求，探索着这个问题：
1783年，法国的孟特格菲兄弟俩成功地释放了人类第一个热气球，热气球载着两名勇敢者飞上天空。
这个热气球上升了900多米。
1804年，法国科学家盖吕萨克乘气球上升到了约7千米的高度。
1892年，科学家设计出带有仪器的无人乘坐的气球，这样就能升得更高。
20世纪30年代，科学家设计出能保持地球表面空气压力和温度的密封舱，人类得以进入更高的大气层。
1938年，被命名为“探险者2号”的气球上升到21千米的高空。
1960年，载人气球已能上升到34.5千米，而不载人气球已能到达40-50米的高空。
再后来，飞机、火箭、人造地球卫星的发明，使人们对大气层有了更科学的认识。
1.4大气层的划分
大气层随与地表面的高度不同，其内含的成份、物理、化学特征不同，科学家为了研究揭开大气的秘密，把整个大气层根据其温度变化、成分、电磁特性随高度分布的不同而分成若干层次。
色]
按温度变化科学家将大气层分为5层：
对流层：
从地面到大约10～16千米处（极地大约8～9千米，赤道15～18千米），是大气层的最底层。
这一层集中了约整个大气的四分之三的质量和几乎全部的水汽量。
大气的对流在这一层十分发达，气温随高度的下升而均匀下降，平均每上升100米降低0.6℃，在11千米附近温度下降到-55℃。
在这层里，大气的活动异常激烈，或者上升，或者下降，甚至还会翻滚。
正是由于这些不断变化着的大气运动，形成了多种多样复杂的天气变化，风、云、雨、雪、雾、露、雷、雹也多发生在这个层次里，因而也有人称这层为气象层。
这层的顶部叫对流层顶，这里气温不再随高度上升而降低，而是基本不变，是一个很稳定的层次，对流层里的天气影响不到这儿来。
这里经常晴空万里，能见度极高，空气平稳，非常适宜喷气客气的飞行。
平流层：
从对流层顶向上到55千米高空附近。
。
这一层是地球大气中臭氧集中的地方，尤其是在其下部，即在15～25千米高度上臭氧浓度最大，因而这一层又称臭氧层。
由于臭氧层能大量吸收太阳辐射热而使空气温度大大升高，所以这一层的最大特点是温度随高度的上升而升高，到顶部温度增大到最大值。
平流层虽然水汽极少，天气现象比较少见，但随着气象火箭和卫星的发射，发现这一层的气流等的变化与对流层中天气变化有着密切联系，相互影响。
中层：
从平流层顶向上，也就是从55千米到80千米这个范围被命名为中层大气，简称中层。
在这里，温度随高度而下降，大约在80千米左右达到最低点，约为-90℃。
热层：
从中层大气向上到500千米左右的范围。
之所以叫热层，是因为这层中的空气分子和离子直接吸收太阳紫外辐射能量，因而运动速度很快，和高温气体一样。
这里空气极其稀薄，尽管热层顶的气温可达1000℃（太阳比较宁静时）～2000℃（太阳活动剧烈时），但实际上却根本不会感到热。
逃逸层：
500千米以上是外大气层，这一层顶也就是地球大气层的顶。
在这里地球的引力很小。
再加上空气又特别稀薄，气体分子互相碰撞的机会很小，因此空气分子就像一颗颗微小的导弹一样高速地飞来飞去，一旦向上飞去，就会进入碰撞机会极小的区域，最后它将告别地球进入星际空间，所以外大气层被称为逃逸层。
这一层温度极高，但近于等温。
这里的空气也处于高度电离状态。
除了按温度分层外，根据大气的电磁特性，还可以将大气划分为中性层、电离层和磁层。
中性层是指地面到60千米高度，这里大气各成分多处于中性，即非电离状态；在60千米～500千米的大气层称为电离层。
500千米以上的称为磁层。
电离层：
在这里，由于太阳辐射的影响，大气物质开始电离。
根据电离层电子的浓度及对电磁波反向的不同效果，又可划分为D层（大约在60～90千米高度）、E层（约110千米高度）、F1层（约160千米高度）、F2层（300千米高度），以及更高的G层等。
根据气象火箭和人造卫星的观测，大约在离地300在远距离无线电通信方面起着很重要的作用。
无线电波借助于在地面和电离层之间的多次反射而传播，实现了远距离的无线电通信。
人们形容电离层为一面反射电波的镜子”。
[图WT1.4a请添加少许颜色]
不过，电离层反射的只是普通的无线电广播采用的波段，对于波长较短的无线电波则起不到反射作用。
电视机采用的恰恰是波长较短的无线电波，这就是电视机为什么收看不到远处电视台节目的原因。
为了能收看到大洋彼岸的电视节目，科学家利用在赤道上空36000千米高度的静止地球卫星来传播电视信号，使生动的电视画面越过大洋或大陆，送到千家万户的电视机中。
我们还有这样的感觉，有些广播电台的广播在较远的地方白天收不到，而到晚上就能收到。
这是因为D层往往在白天形成，夜间消散，它在白天起到衰减无线电波传播的作用。
磁层：
在大气科学中有时还500千米以上的大气层称为磁层。
因为在这里，地球磁场对大气的运动起着决定性的作用。
磁层在太阳风的作用下发生一系列变化：
向着太阳的一面被压缩了，而在背着太阳的一面形成了一个类似于慧星一样的长尾巴棗磁尾。
向着太阳的一端距地心约十几个地球半径，即70000～80000千米，它的尾长（背着太阳一端）约l00个地球半径，即600多万千米。
太阳风是太阳向外抛出的稳定粒子流。
它与磁层之间的边界即为磁层顶，顶以外即为星际空间。
因此也有人认为磁层顶才是大气圈的顶。
[图wt1.4b图示文字为：
地球如同一个巨大的磁铁，磁铁的两面三刀极分别在地球的南极和北极附近。
它在地球周围形成了一个巨大的磁层，保护着地球]
1.5气压、气温、大气湿度
气压：
大气压力的产生是地球引力作用的结果，由于地球引力，大气被“吸”向地球，因而产生了压力，靠近地面处大气压力最大。
气象科学上的气压，是指单位面积上所受大气柱的重量（大气压强），也就是大气柱在单位面积上所施加的压力。
气压的单位有毫米和毫巴两种：
以水银柱高度来表示气压高低的单位，用毫米（mm）。
例如气压为760毫米，就是表示当时的大气压强与760毫米高度水银柱所产生的压强相等。
另一种是天气预报广播中经常听见的毫巴（mb）。
它是用单位面积上所受大气柱压力大小来表示气压高低的单位。
1毫巴＝1000达因／平方厘米（1巴＝1000毫巴）。
因此，1毫巴就表示在l平方厘米面积上受到l000达因的力。
气压为760毫米时相当于1013.25毫巴，这个气压值称为一个标准大气压。
气压是随大气高度而变化的。
海拔愈高，大气压力愈小；两地的海拔相差愈悬殊，其气压差也愈大。
大气柱的重量还受到密度变化的影响，空气的密度愈大，也就是单位体积内空气的质量愈多，其所产生的大气压力也愈大。
由于大气的质量愈近地面愈密集，愈向高空愈稀薄，所以气压随高度的变化值也是愈靠近地面愈大。
例如在低层，每上升100米，气压便降低约10毫巴；在5～6公里的高空，每上升100米，气压降低约7毫巴；而到9～10公里的高空，每上升100米，气压便只降低约5毫巴了。
气压无时无刻不在变化。
在通常情况下，每天早晨气压上升，到下午气压下降；每年冬季气压最高，夏季气压最低。
但有时候，如在一次寒潮影响时，气压会很快升高，冷空气一过，气压又慢慢降低。
气温：
大气也有冷和热。
物体的冷热程度用一个数量来表示，就是温度。
大气的温度就称气温。
气象上日常指的气温是用约1.5米高度上百叶箱里的空气温度来表示，单位用摄氏（℃），也可用华氏（。
F）或用绝对温度（。
K）表示。
气温也是无时无刻不在变化的。
我们在日常生活中都有这样的感觉：
一天中的最低温度一般在早晨，以后逐渐上升，到下午2点钟左右，是一日中温度最高的时候，然后气温又下降，到夜里继续下降，在次日早晨前后温度又出现最低。
气温这样有规律的变化是和太阳有密切关系的。
太阳是一个炽热的球体，它不断地向四周辐射能量。
其辐射面的温度约有6000。
K左右。
太阳辐射是一种短波辐射，它的能量十分巨大，投射到地球上来的能量仅占太阳辐射全部能量的二十亿分之一。
据计算，在大气上界与阳光成垂直的平面上，每平方厘米的面积上每分钟所得到的太阳辐射的热量为1.90卡（不考虑大气层对太阳辐射的吸收、反射、散射等影响）。
而来自月亮等天体的辐射能量是极少的。
从地球内部传向地表的热量，每平方厘米地面上，全年总共才54卡。
所以，大气中发生的各种物理过程和天气现象，都是直接和间接地依靠来自太阳辐射能量而进行的。
太阳辐射是产生各种复杂的天气现象的根本原因，也是气温变化的根本原因。
太阳辐射中午直射地面，地面一方面吸收太阳的短波辐射而得热，一方面又放出长波辐射而失热。
得失相抵，午后净得热量最多，温度升得最高；次日清晨损失热量最多，温度降得最低。
在一年中，冬天气温低，夏天气温高，当然也是太阳辐射变化而造成的。
地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。
有时它像一条彩带，有时它像一团火焰，有时它又像一张五光十色的巨大银幕。
它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。
静寂的极地由于它的出现骤然显得富有生气。
这种壮丽动人的景象就叫做极光。
人们知道极光至少己有2000年了，因此极光一直是许多神话的主题。
在中世纪早期，不少人相信，极光是骑马奔驰越过天空的勇士。
在北极地区，因纽特人认为，极光是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的。
随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。
产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。
这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。
现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。
它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。
在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，例如，在美国，南到北纬40度处还曾见过北极光。
极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。
发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。
然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。
弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。
极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。
造成极光动态变化的机制尚示完全明了。
在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为"太阳风"。
这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极，从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应，形成极光。
在南极地区形成的叫南极光。
在北极地区同样可看到这一现象，一般称之为北极光。
大多数极光出现在地球上空90---130千米处。
但有些极光要高得多。
1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。
在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。
在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在罗里达州，一年平均只能见到4次左右。
我国最北端的漠河，也是观看极光的好地方。
18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。
与此同时，伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。
由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。
原来，极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果。
太阳风是太阳喷射出的带电粒子，当它吹 到地球上空，会受到地球磁场的作用。
地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个"漏斗"沉降，进入地球的两极地区。
两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。
高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的前面色不一样。
例如氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩激后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。
科学家已经了解到，地球磁场并不是对称的。
在太阳风的吹动下，它已经变成某种"流线型"。
就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的，形似慧尾的地球磁尾。
磁尾的长度至少有1，000个地球半径长。
由于与日地空间行星际磁场的偶合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。
因为等离子体具"冻结"磁力线特性，所以，太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。
当太阳活动发生剧烈变化时（如耀斑爆发），常引起地球磁层亚暴。
于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动。
从极区向地球注入，这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发--退激而发光。
不同的分子，原子发生不同颜色的光，这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。
事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。
而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。
用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。
沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕。
地球磁场为电子束导向磁场。
科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。
例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。
极光的形成与太阳活动息息相关。
逢到太阳活动极大年，可以看到比平常年更为壮观的极光景象。
在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也能有幸看到极光。
2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现了极光景象。
在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。
当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。
虽然这是一件难得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在许多地区还造成了恐慌。
据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说，当夜德国莱茵地区以北的警察局和天文观象台的电话不断，有的人甚至怀疑又发生毒气泄漏事件。
这次极光现象被远在160公里高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现，并发出了预告。
在北京时间4月7日凌晨零时三十分，宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠过，而且该太阳风突然加速，速度从每秒375公里提高到每秒600公里，一小时后，这股太阳风到达地球大气层外缘，为我们显示了难得一见的造化神工。
对于闪电产生原因，科学家一直在研究，各有所论：
（1998年，一位西班牙物理学家认为，所谓的神秘球状闪电其成因并不神秘，这一现象很可能是闪电产生过程中，磁场约束发光等离子体所形成。
他建立了闪电磁场模型，认为关键是闪电过程中形成的水平磁场和垂直磁场磁力线圈相互交织而成的磁力线网。
在某些特殊情况下，这一磁力线网有可能会呈现出球形，而发光等离子体会被这一网所“俘获”而形成球状闪电。
这一火球效应会一直持续到等离子体开始冷却。
研究人员指出，根据他们的预算，火球持续时间最多可达10至15秒。
当等离子体冷却后，电子开始被原子所束缚，等离子体内部电阻变大、电流趋弱，周围的磁场也将随之瓦解，最终火球不复存在。
）----这点给人以说明闪电产生的磁场可以产生闪电。
（早在1955年，苏联物理学家便提出球状闪电是雷暴中所产生的电磁干扰效应所引起的。
1991年，日本科学家报道了他们在实验中观察到微波干扰所产生的一系列类似球状闪电的现象，他们的人造等离子球也显示出球状闪电的一些特性，如它可沿与主气流相反的方向运动，并可穿越固体物质。
）----这点就更直接的说明了电磁干扰导致闪电产生。
如果地球的地心不转动的话，地球就失去磁场保护，那么我么的大地上的生命就会遭遇太阳风暴，更可以说是遭遇来自宇宙中所有冲向地球的射线和粒子的袭击。
大地上会频繁的出现垂直而下的闪电。
下面是笔者的想法--关于暴雨天气闪电的产生原因新假象：
在暴雨天气，云层中的冰粒相互撞击，会出现带负电的电荷，这些电荷会因为云层的运动方向以及云层之间的撞击而向某些方向运动，这样电荷的运动就产生了电流，而电流的出现就会在其周围产生磁场，产生的这个磁场在高空会与地球原来存在的磁场叠加，使磁场作用轨道发生变化，而来自宇宙的射线和粒子就会因为地球某个区域磁场轨道的变化而对大气层产生作用，因此，会出现更大的电离现象，这样闪电也就爆发了
般閃電是源自帶著負電荷的雲層底部，並向下落至地表。
偶而，閃電是源自雲層頂端積蓄的大量正電荷，因此閃電發生後，電離層（Ionospere）和雲層頂有著很強大的電場，因此吸引著電子向上移動。
在移動的過程中會和氣體分子碰撞，如果產生的電場夠強而且周圍的空氣夠稀薄，在和空氣分子撞擊之前，電子可以獲得相當高的能量，當電子撞擊空氣分子，會把它們撞到激發狀態，讓分子發出輝光，產生紅色精靈這種高空短暫發光現象。
理論上，這種現象發生於40至90公里的高空中。
最亮的紅色精靈人類的肉眼就可以看見，但長久以來並不為人們所知，追究其原因在於它是發生在極端明亮的雲對地閃電之後，因此上述的現象並不會特別引起科學家們的注意。
紅色精靈發光的時間通常持續不到三十分之一秒，亮度通常也不很明亮，出現的機會相當低，因此，科學家必須使用高感度的攝影機，持續對雷雨雲的上空錄影，才能紀錄到這種高空短暫發光現象。
紅色精靈微弱的亮光和短暫的持續時間，造成研究上的困難，即使如此，在經短短十幾年的觀測期間，科學家在全球各地已經記錄了將近一萬個事件，對紅色精靈的了解已有重大的成就。
升级会员 