电子课文第二章 地球上的大气 地球是由不同物质和不同状态的圈层所组成的球体。一般可分为外部圈层和内部圈层，它们都以地心为共同球心，所以叫做同心圈层。地壳表面以外的各个圈层，称为外部圈层。在固体的地壳表面镶嵌着水圈，并被大气圈包围着。在地壳表层、水圈和大气底层，生活着多种多样的生物，构成生气勃勃的生物圈。这些圈层之间相互联系，相互制约，形成人类赖以生存的自然环境。大气圈是自然环境的重要组成部分。厚厚的大气，好像地球的外衣，保护着地球的“体温”，使其变化不至过于剧烈。地面上的水蒸发成水汽进入大气；大气中的水汽又凝结成雨、雪等降落地面，使得地球上的水循环不止。增温、降温、刮风、下雨等大气现象，在漫长的地质年代里，不断地雕塑着地球表面的形态。可见，大气对地球表面的许多自然现象都发生着重大的影响。大气对生物界和人类的影响更为深刻，地球上一切生物的生命活动都离不开大气。可以说，地球上没有大气，就没有生物界，没有人类。第一节 大气的组成和垂直分层 大气的组成 低层大气是由干洁空气、水汽和悬浮在大气中的固体杂质三部分组成的。干洁空气是由多种气体混合组成的，其主要成分是氮和氧，二者约占干洁空气容积的99。大气中的氧，是人类和一切生物维持生命活动所必需的物质；大气中的氮，是地球上生物体的基本成分。二氧化碳和臭氧在大气中的含量很少，但作用不可低估。二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料，对地面还有保温作用。臭氧能大量地吸收太阳光线中的紫外线，使地面上的生物免受紫外线的伤害，而少量穿透大气到达地面的紫外线对人类和生物则是有益的。水汽和固体尘埃的含量也很少，却是成云致雨的必要条件。大气的垂直分层 自地面向上，大气层可以延伸到数千千米的高空。根据人造卫星的探测资料，在2 000千米3 000千米的高空，地球大气的密度已经与星际空间的密度非常相近，这个高度可以大致地看作是地球大气的上界。根据大气的热力性质在垂直方向上的差异，可将大气分为五层：对流层、平流层、中间层、热层和外层。（一）对流层 这是紧贴地面的一层。它的高度因纬度而异。在低纬度地区高17千米18千米，在中纬度地区高10千米12千米，在高纬度地区高仅8千米9千米。整个大气质量的34和几乎全部水汽、杂质，都集中在对流层。对流层有三个主要特点：（1）气温随高度的增加而递减。这主要是因为对流层大气的热量绝大部分直接来自地面，因此离地面愈高的大气，受热愈少，气温愈低。平均每上升100米，气温降低0.6。（2）空气对流运动显著。对流层上部冷下部热，有利于空气的对流运动。低纬度地区受热多，对流旺盛，对流层所达高度就高；高纬度地区受热少，对流层高度就低。（3）天气现象复杂多变。近地面的水汽和杂质通过对流运动向上空输送，在上升过程中随着气温的降低，容易成云致雨。云、雨、雪等天气现象都发生在这一层。对流层与人类的关系最为密切。（二）平流层 从对流层顶到50千米55千米高度的范围是平流层。这一层的特点是：（1）气温的垂直分布，除下层随高度变化很小外，在30千米以上，气温随高度增加迅速上升。这是因为平流层中的臭氧大量吸收太阳紫外线而使气温升高。（2）大气以水平运动为主。平流层上部热下部冷，大气稳定，不易形成对流。（3）水汽、杂质含量极少，云、雨现象近于绝迹。大气平稳，天气晴朗，对高空飞行有利。（三）中间层 从平流层顶到85千米高度的范围是中间层。这一层的主要特点是：（1）气温随高度增加而迅速降低。这是因为这里几乎没有臭氧。（2）上部冷、下部暖，空气的垂直对流运动相当强烈，又称高空对流层。（四）热层 从中间层顶到500千米高度的范围是热层。这一层的特点是：气温随高度增加上升很快。这是由于该层中的大气物质（主要是氧原子），吸收了所有波长小于0.175微米的太阳紫外线。据人造卫星观测，在300千米高度上，气温已达1000以上。（五）外层 热层顶以上的大气统称为外层。这里受地球引力场的束缚很弱，一些高速运动的空气质点，经常散逸到星际空间去，所以叫做外层（又叫散逸层）。它是地球大气向星际空间过渡的层次。 问题和练习 1地球大气是由哪些成分组成的？臭氧、二氧化碳、水汽和尘埃各有什么作用？2用“气温的垂直分布图”，说明大气各层气温随高度变化的情况。3对流层、平流层和热层的特点有何不同，与人类活动有什么关系？第二节 大气的热状况 大气中发生的一切现象和过程，都与太阳能及其转化密切相关。太阳辐射是地球上的能量源泉 太阳是一个巨大炽热的气体星球，它源源不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量，这称为太阳辐射。太阳辐射中仅有极微小的部分（约二十亿分之一）到达地球，是地球上最主要的能量源泉。太阳每分钟向地球输送的能量，大约相当于燃烧4亿吨烟煤产生的热量。太阳辐射的主要波长范围是0.15微米4微米。其中，人眼能看见的光线，波长在0.4微米0.76微米之间，叫做可见光线。波长小于0.4微米的紫外线和大于0.76微米的红外线，人们肉眼都无法看见。由实验得知，物体的温度愈高，它的辐射中最强部分的波长愈短；物体温度愈低，辐射中最强部分的波长愈长。太阳表面温度高达6000K，它的辐射能主要集中在波长较短的可见光部分，可见光区差不多占太阳辐射总能量的一半。为此，人们把太阳辐射称为短波辐射。在日地平均条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光线的1平方厘米面积上，1分钟内接受到的太阳辐射能量，称为太阳常数，它是用来表达太阳辐射能量的一个物理量。一般用太阳辐射强度来表示地表获得太阳辐射能量的多少。太阳辐射强度就是一平方厘米的表面上，在一分钟内获得的太阳辐射能量。影响太阳辐射强度最主要的因素是太阳高度角。太阳高度角愈大，等量的太阳辐射散布的面积愈小，光热集中，地表单位面积上获得的太阳辐射能量愈多，太阳辐射强度就愈大。反之，太阳高度角愈小，太阳辐射强度就愈小。大气对太阳辐射的削弱作用 太阳辐射要穿过厚厚的大气层，才能到达地球表面。太阳辐射在经过大气层时，其中一小部分被大气吸收。大气对太阳辐射的吸收具有选择性，平流层大气中的臭氧，强烈地吸收太阳辐射中波长较短的紫外线；对流层大气中的水汽和二氧化碳等，主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线。大气对太阳辐射中能量最强的可见光却吸收得很少，大部分可见光能够透过大气射到地面上来。因此，大气直接吸收太阳辐射能量是很少的。大气中的云层和尘埃，具有反光镜的作用，把投射在其上的太阳辐射的一部分，又反射回宇宙空间。云层愈厚，云量愈多，反射愈强。夏季天空多云时，白天的气温不会太高，就是这个道理。当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时，太阳辐射的一部分能量便以这些质点为中心，向四面八方散射开来。散射可以改变太阳辐射的方向，使一部分太阳辐射不能到达地面。在太阳辐射的可见光中，波长较短的蓝色光最容易被散射，所以晴朗的天空呈现蔚蓝色。由于大气对太阳辐射的反射、散射和吸收，削弱了到达地面的太阳辐射。被大气削弱以后到达地面的太阳辐射，也不是全部被地面吸收，其中又有一小部分被地面反射回到宇宙空间。反射多少与地面性质有关。太阳高度角愈大，太阳辐射经过大气的路程愈短，被大气削弱的愈少，到达地面的太阳辐射就愈多；反之愈少。大气对地面的保温作用 地面吸收太阳辐射，温度增高，同时地面又把热量向外辐射。由于地球表面的温度比太阳低得多，因此地面辐射的波长比太阳辐射要长得多，其能量主要集中在红外线部分。相对于太阳辐射来说，人们把地面辐射叫做长波辐射。地球大气具有温室一样的保温作用。对流层大气中的水汽和二氧化碳，对太阳短波辐射的吸收能力很差，也就是说对太阳辐射几乎是透明的；但对地面长波辐射的吸收能力很强。据观测，地面辐射的7595都被贴近地面的大气所吸收，使近地面大气增温。近地面大气又以辐射、对流等方式，把热量传递给高一层大气。这样一层一层地向上传递，从而使地面放出的热量绝大部分保存在大气中，散失到宇宙空间去的热量就很少了。大气在增温的同时，也向外辐射热量。大气的温度比地面还低，所以大气辐射也是红外线长波辐射。大气辐射的一部分向上射向宇宙空间，大部分向下射到地面。射向地面的大气辐射，方向刚好与地面辐射相反，称为大气逆辐射。大气逆辐射又把热量还给地面，这就在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量，起到了保温作用，使地面温度变化比较缓和。天空有云，特别是浓密的低云，逆辐射更强。所以多云的夜晚通常比晴朗的夜晚温暖些。气温的日变化和年变化 就对流层大气来说，直接吸收太阳辐射的能量很少，大气的热量主要来自地面辐射。所以说，地面是大气的主要的直接热源。日出以后，随着太阳高度角的逐渐增大，太阳辐射不断增强，地面获得的热量不断增多，地面温度不断升高，地面辐射不断增强。大气吸收地面辐射，气温也跟着不断上升。一天中的最高气温并不出现在太阳辐射最强的正午，而是出现在午后2时左右。这是因为正午过后，太阳辐射虽已开始减弱，但地面获得太阳辐射的热量仍比地面辐射失去的热量多，地面储存的热量继续增多，地面温度继续升高，地面辐射继续增强，气温也继续上升。随着太阳辐射的进一步减弱，地面获得太阳辐射的热量开始少于地面辐射失去的热量时，也就是当地面热量由盈余转为亏损的时刻，地面温度达到最高值。地面再通过辐射、对流、湍流等方式将热量传给大气，还需要一个过程，因此午后2时左右，气温才达到最高值。随后，太阳辐射继续减弱，地面热量继续亏损，地面温度不断降低，地面辐射不断减弱，气温随之不断下降，至日出前后，气温达最低值。同样道理，由于地面储存热量的缘故，一年之中，就北半球来说，气温最高与最低的月份，也不是出现在太阳辐射最强（6月）和最弱（12月）的月份，而是要落后一两个月。一般大陆上气温最高值出现在7月，最低值出现在1月；海洋的热容量大，受热和放热都较陆地慢，所以气温最高值出现在8月，最低值出现在2月。气温的水平分布 从世界7月和1月等温线分布图上，可以清楚地看到地球上气温分布的一般规律。（一）在南北半球上，无论7月或1月，气温都是从低纬向两极递减。这是因为低纬度地区，获得太阳辐射能量多，气温就高；高纬度地区，获得太阳辐射能量少，气温就低。从图上可以看出，等温线并不完全与纬线平行，这说明气温的分布，除主要受太阳辐射影响外，还与大气运动、地面状况等因素密切相关。（二）南半球的等温线比北半球平直，这是因为表面物理性质比较均一的海洋，在南半球要比北半球广阔得多。（三）北半球，1月份大陆上的等温线向南（低纬）凸出，海洋上则向北（高纬）凸出；7月份正好相反。这表明在同一纬度上，冬季大陆比海洋冷，夏季大陆比海洋热。（四）7月份，世界上最热的地方是北纬2030大陆上的沙漠地区。这是因为7月份太阳直射北纬20附近；沙漠地区少云雨，太阳辐射强度大；沙漠对太阳辐射吸收强，增温快。撒哈拉沙漠是全球的炎热中心。1月份，西伯利亚形成北半球的寒冷中心。世界极端最低气温出现在冰雪覆盖的南极洲大陆上。问题和练习1日出前的黎明、日落后的黄昏，以及阴天，天空为什么仍是明亮的？2观察下页图，试从大气的作用说明为什么地球表面温度的昼夜变化不像月球那样剧烈。3白天多云，气温比晴天低；夜间多云，气温又比晴天高，为什么？深秋至第二年早春季节，霜冻为什么多出现在晴朗的夜里？4为什么一天中的最高气温出现在午后2时左右？5对照1月、7月等温线图，说明地球上气温水平分布的规律及其原因。(a)没有大气的月球的情况 (b)有大气的地球的情况第三节 大气的运动大气时刻不停地在运动着。大气中热量和水汽的输送，以及一切天气变化，都是通过大气运动实现的。大气运动的能量来源于太阳辐射。由于太阳辐射对各纬度加热的不均匀，造成高低纬度间热量的差