高中地球科学/大气

地球的大气层是一层薄薄的气体和微小颗粒的毯子——统称为空气。没有空气，地球将只是一个围绕太阳运行的无生命岩石。虽然我们很少意识到它，但空气包围着我们。当空气移动时，我们最能感觉到它，从而形成风。像所有气体一样，空气也占据空间。构成我们空气的这些气体在地球表面附近比高海拔地区更密集地堆积在一起。

所有生物都需要一些空气中的气体来维持生命。特别是，所有生物都依赖于氧气进行呼吸——甚至植物。植物也需要空气中的二氧化碳进行光合作用。所有天气都发生在大气层中。大气层还有许多其他重要的作用。这些包括调节地球的温度和保护生物免受太阳最有害的射线。

课程目标

描述大气层对我们星球及其生命的意义。
概述大气层在水循环中的作用。
列出大气的主要成分并了解它们的功能。
描述大气压力如何随着海拔的变化而变化。

大气的重要性

如果没有大气层，地球将更像月球，而不是我们今天所居住的星球。地球的大气层以及地球表面丰富的液态水是地球在太阳系中独一无二的关键。地球的许多非凡之处都取决于大气层。让我们考虑一下我们幸运地拥有大气层的众多原因。

大气气体对于地球上的生命是必不可少的

如果没有大气层，地球将毫无生机。二氧化碳 (CO₂) 和氧气 (O₂) 是对生物体最重要的气体。CO2 对植物在光合作用中至关重要，植物利用 CO2 和水将太阳能转化为食物能量。这种食物能量以糖的形式存在葡萄糖 (C₆H₁₂O₆）。植物也产生 O₂。光合作用几乎是目前大气中所有氧气的来源。

光合作用的化学反应是

6CO₂ + 6H₂O + 太阳能 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

通过创造氧气和食物，植物创造了一个有利于动物生存的环境。在呼吸中，动物利用氧气将糖转化为它们可以利用的食物能量。植物也进行呼吸，消耗它们产生的一些糖分。

呼吸的化学反应是

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 可利用的能量

请注意，呼吸看起来像是光合作用的逆反应。在光合作用中，CO₂ 被转化为 O₂，而在呼吸中，O₂ 被转化为 CO₂。

大气是水循环的重要组成部分

水从大气层移到陆地、土壤中、生物体内、海洋中，然后以任何顺序回到大气层。水的这种运动称为水循环或水文循环（图 15.1）。

水通过蒸发从液体变为气体。水蒸气是水处于气态时的名称。当太阳能蒸发海洋表面或陆地上的湖泊、河流或水坑中的水时，它就会变成水蒸气。水蒸气停留在大气中，直到它凝结成微小的液滴。这些微小的液滴可能聚在一起形成降水，如雨和雪。雪可能会成为冰川中冰的一部分，在那里它可能会停留数百年或数千年。最终，雪或冰会融化形成液态水。作为雨滴落下来的水滴可能会成为河流或湖泊的一部分，也可能会渗入地下并成为地下水的一部分。

在地表，水最终会经历蒸发并重新进入大气层。如果水被植物吸收，然后从植物中蒸发出来，这个过程称为蒸腾。

所有天气都发生在大气层中，几乎所有天气都发生在低层大气中。天气描述了特定时间和地点的大气状况，可能包括温度、风和降水。这是我们每天经历的变化。气候是特定地点天气的长期平均值。虽然亚利桑那州图森的某个冬季日的可能包括降雪，但图森的气候通常温暖干燥。

由于降水、风和与我们大气中气体反应而发生在地球表面的物理和化学变化称为风化作用。风化作用改变岩石和矿物，并塑造地球表面的地貌。如果没有风化作用，地球表面将不会发生太大变化。例如，月球没有大气层、水或风，因此它没有风化作用。宇航员几十年前在月球上留下的脚印将保留在那里，直到有人（人类或外星人）将其抹平！你只需要在海滩上待几分钟，就能知道地球表面一直在变化。

高层大气中的臭氧使地球上的生命成为可能

臭氧是由三个氧原子组成的分子，(O₃)。高层大气中的臭氧吸收来自太阳的高能紫外线辐射 (UV)。这保护了地球表面的生物免受太阳最有害的射线。如果没有臭氧的保护，只有最简单的生命形式才能在地球上生存。

大气使地球的温度保持适中

我们的大气层使地球的温度保持在可接受的范围内；地球上最冷的地方和最热的地方之间的温差约为 150°C (270°F)。如果没有我们的大气层，地球的温度在晚上会很冷，白天会很热。我们每天的温度将类似于月球上的温度，月球的温度范围为 310°C (560°F)，因为那里没有大气层。温室气体在大气中捕获热量。重要的温室气体包括二氧化碳、甲烷、水蒸气和臭氧。

大气气体为波传播提供了物质

大气层由气体构成，主要是氮气和氧气。即使你看不见它们，气体也占据空间并能传递能量。声波是能够穿过大气层的能量类型之一。如果没有大气层，我们就听不到任何声音。地球会像外太空一样寂静。当然，没有昆虫、鸟类或飞机能够飞行，因为没有大气层支撑它！

空气的组成

表 15.1：大气气体浓度
气体	符号	浓度（%）
氮	N₂	78.08
氧	O₂	20.95
氩	Ar	0.93
氖	Ne	0.0018
氦	He	0.005
氢	H	0.00006
氙	Xe	0.000009
水蒸气	H₂O	0 到 4
二氧化碳	CO₂	0.038
甲烷	CH₄	0.00017
氪	Kr	0.00011
氧化亚氮	N₂O	0.0005
臭氧	O₃	0.000004
颗粒物（灰尘、烟尘）		0.000001
氯氟烃（CFCs）		0.00000002

空气几乎完全由两种气体组成。最常见的气体是氮气，第二常见的气体是氧气 (O₂)。氮气和氧气加起来占地球大气层的 99%。所有其他气体加起来占剩余的 1%。虽然这些微量气体中的每一种都只存在于微量中，但许多气体，如臭氧，对地球及其生命发挥着重要的作用。一种非常重要的微量气体是二氧化碳 (CO₂)，它是光合作用所必需的，也是一种非常重要的温室气体（表 15.1）。

在自然界中，空气永远不会完全干燥。空气中高达 4% 的体积可能是水蒸气。湿度是指空气中水蒸气的含量。空气的湿度因地点和季节而异。如果你比较一下美国佐治亚州亚特兰大夏季的一天，那里的湿度非常高，和美国亚利桑那州凤凰城冬季的一天，那里的湿度非常低，这个事实就显而易见了。当空气非常潮湿时，会感觉沉重或粘稠。当外面非常潮湿时，你的头发可能会变得非常卷曲或蓬松。大多数人在空气干燥时感觉更舒适。由于空气可以非常潮湿或干燥，所以大气中水蒸气的百分比在上面的表格中列出了一个较大的范围值。

氩、氖、氦、氙和氪是惰性气体。它们无色、无味、无味，而且由于它们在化学上是惰性的，所以它们不会参与普通的化学反应。惰性气体只是存在于大气中。

大气中的一些物质不是气体。灰尘、土壤、粪便、金属、盐、烟雾、灰烬和其他固体颗粒占大气中的一小部分。这个百分比是可变的，任何在沙漠中经历过风天的人都知道这一点（图 15.2）。颗粒物很重要，因为它们为水蒸气凝结提供了起始点（或核），从而形成雨滴。一些颗粒物是污染物，将在关于人类活动和大气的章节中讨论。

压力和密度

大气在海拔（或高度）的不同高度具有不同的性质。大气层的密度（给定体积中的分子数量）随着你升高而降低。这就是为什么攀登珠穆朗玛峰等高山的探险家必须在不同的海拔建立营地，让他们的身体适应变化的原因。大气层的前 100 公里的成分，即组成保持不变，只有一个例外：地球上空约 20-40 公里的臭氧层。在臭氧层中，臭氧的浓度比大气层其他部分更高（图 15.3）。

气体中的分子能够自由移动。如果没有任何力作用于气体，它就会逃逸或永远散开。重力将气体分子拉向地球表面，靠近海平面时拉力更大。这意味着大气气体在海平面密度更大，那里的重力更大。海平面的气体也会受到上面大气压力的压缩。作用在人肩上的大气压力相当于一吨以上。空气重量作用在一个单位面积上的力被称为大气压力，或气压。人类和动物不会被压碎，因为我们体内分子的外推力抵消了这种压力。气压来自四面八方，而不仅仅是从上面。

大气在较高海拔处的大气压力较低，密度也较低。重力拉力较小，上面压下来的气体也较少。由于上面的重量较小，气体膨胀，因此空气更轻。每增加 6 公里（3.7 英里）的高度，气压就会降低一半。在海拔 5500 米（18000 英尺）处，气压略小于海平面的气压的一半。这意味着作用在该海拔高度的人肩上的空气重量只有一半。在足够高的海拔处，没有剩余的气体。海拔 30 公里（19 英里）处的大气密度仅为海平面密度的 1%。在距离地球表面 700 公里（435 英里）处，气压几乎与深太空中的真空相同。

如果你曾经感到耳朵“砰”的一声，你就经历了气压的变化。这种情况发生在你快速升降海拔时，比如乘坐飞机或汽车上下山时。你的耳朵里外都有气体分子。当你快速改变海拔时，你的内耳会保持与原始海拔的分子密度一致。砰的一声发生在你的耳朵里的空气分子突然通过你耳朵里的一条小管子移动，使压力平衡时。这种突然的空气涌入会让人感到砰的一声。

地球上较冷、较干燥的地方通常气压较高，而较温暖、较潮湿的地方通常气压较低。这是因为大片空气通过对流上下移动。气压也经常随时间变化，因为低压系统和高压系统的位置会发生变化。当我们学习天气时，将讨论这些现象。

课程总结

如果没有大气，地球将是一个非常不同的星球。大气中的气体使植物能够进行光合作用，动物和植物能够进行呼吸。
水蒸气是一种大气气体，是水循环的重要组成部分。
所有天气都发生在大气中。
虽然大气中气体的含量彼此之间没有变化，但有一个例外：臭氧层。臭氧层位于高层大气中，保护生命免受太阳高能量紫外线的辐射。
气压随海拔、温度和位置而变化。

复习问题

光合作用过程中使用什么气体，产生什么气体？呼吸作用过程中使用什么气体，产生什么气体？
简述光合作用重要的两个原因。
简要描述水在水循环中的运动。
什么是蒸腾作用？
如果大气湿度增加会发生什么？
风化作用在潮湿气候还是干燥气候中更有效？
在俄勒冈州波特兰市一个不寻常的 2 月份，气温为 18°C（65°F），天气干燥晴朗。波特兰市的冬季气候通常寒冷多雨。你如何解释波特兰冬季的暖和干燥天气？
温室气体在大气中起着什么重要的作用？
为什么你在飞机上降落时耳朵会“砰”的一声？
如果海平面的气压为一吨，而 5500 米（18000 英尺）的气压为半吨，那么 11000 米（36000 英尺）的气压是多少？

词汇

气压: 空气压在一个给定面积上的力。
海拔: 海拔高度。
气候: 天气的长期平均值。
凝结: 从气体变为液体；就水而言，从水蒸气变为液态水。
蒸发: 物质从液体变为气体的状态变化；就水而言，从液态水变为水蒸气。
蒸腾作用: 植物向大气散失水分。
温室气体: 在大气中捕获热量的气体；包括水蒸气、二氧化碳、甲烷和臭氧。
地下水: 在地表以下发现的淡水。
湿度: 空气中所含水蒸气的量；通常指的是相对湿度，即空气中所含水分相对于其所能容纳的总水分的量。
惰性气体: 通常不发生化学反应的气体，没有颜色、味道或气味；包括氦、氖、氩、氙和氪。
臭氧: 由三个氧原子组成的分子；低层大气中的臭氧是一种污染物，但在高层大气中，它可以过滤掉太阳最有害的紫外线辐射。
光合作用: 植物利用太阳能产生单糖（食物能量）的过程；光合作用过程将二氧化碳转化为氧气。
降水: 凝结的水分，包括雨、雨夹雪、冰雹、雪、霜或露水。
呼吸作用: 动物和植物使用氧气并产生二氧化碳的过程；在呼吸作用中，生物体将糖转化为它们可以利用的食物能量。
水蒸气: 水的汽态形式。
天气: 某个地区大气层的暂时状态；某个地方的天气取决于空气温度、湿度、降水量、风速以及大气层的其他特征。

思考点

如果没有大气层，地球会有什么不同？
大气层中最重要的成分是什么？
大气层是如何随高度变化的？

← 地球大气层 · 大气层 →