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大气层结构(04-1 大气圈的结构)

大气层结构

本文内容为复旦大学在中国大学MOOC网站上《自然地理学》课程的图文课件。如果你对该内容有兴趣,请扫描二维码参加该课程的学习。
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同学们好!今天我们要讲《大气圈与气候系统》。

第一个专题呢,先让我们来更详细了解一下大气圈的结构。

大气圈是地球最外部的圈层,也是地球所有各圈层中最活泼,最不稳定,变化最快的圈层之一。受到其它四个圈层的直接作用与影响,与生命活动有最密切的关系,直接影响着人类的生存条件和各种活动。气候系统中其它圈层变化产生的最后影响结果都会反映在大气圈中,因而是气候系统的中心。要看出地球大气圈的重要性,最好是比较一个没有大气圈但又与地球位置非常接近的星体。那大家自然而然就想到了月球。

月球没有大气层,也就没有雨,没有空气和雨水的腐蚀,月球表面的岩石不会风化,不管多少年都保持着原样,没有大气层,就没有风,月球上的灰尘不会被吹起。所以,阿姆斯特朗在月球上的脚印估计能保存到月球灭亡。没有大气层,陨石靠近月球时不会在大气层中燃烧掉,只会直接撞向月面,导致月球表面的环形山特别多、特别大。没有大气层,声音也无法在月面上传播。月球昼夜温差非常大,白天太阳直射的时候温度可高达127摄氏度,而夜间又会下降至零下183摄氏度。所以,大气圈对于我们非常重要。

正如我们前面的课程所介绍的,地球大气圈有非常明显的垂向结构,分成对流层、平流层、中间层,热层和散逸层。地球大气的总质量主要集中在大气圈的底部,其中一半集中在0~5km高度范围内。大气圈顶部逐步过渡为星际空间分布密度极小的星际气体。大气圈最外面的界限距离地面有2000~3000km。这真可谓是不知天高地厚呀!除此之外,大气圈在水平方向上也存在着非均一现象,这是因为太阳直射和斜射所造成的。我们下面主要介绍与我们人类社会活动最密切相关的对流层,还有平流层之上的一个电离层。

对流层是大气圈的最下一层,平均厚度为10km左右,夏季厚度大于冬季。虽然对流层厚度不到大气圈的1%,但集中了大气质量的3/4,大气水汽的90%。主要天气现象如云、雾、雨、雪、冰雹都在该层形成。水平方向上的物理属性比较均匀的巨大空气块,称做气团,我们这里所指的物理属性包括温度、湿度、稳定度等。该水平范围可达数百万平方公里以上,垂直尺度可达几公里到十几公里以上。我们可以根据它们温度的差异分为热气团和冷气团两种;两种不同性质的气团相遇的时候,它们之间会形成一个过渡区,这里的气象要素值会发生急剧变化,称为锋区。锋区与地面的交线称锋线。由于锋区的厚度与气团尺度相比要小得多,因而把它视为一个面,称为锋面。

在大气层60千米以上的区域,整个地球大气层处于部分电离或完全电离的状态。能使无线电波改变传播速度,发生折射、反射和散射。1899年,尼古拉·特斯拉就是开始尝试使用电离层来进行远举例的无线能量传送。后来还主要用于短波收音机。在大气圈外层,虽然太阳紫外线比较强,但气体过于稀薄,电离现象难以发生。大气圈的内层虽然空气比较稠密,但到达那里的紫外线因受上层大气的吸收致使强度太弱,电离现象也不明显,所以只有在一定高度上,气体足够稠密而紫外线又有相当的强度,才能电离形成密度较高的游离电子,高空气体几乎不发生对流,所以空气主要组分氧气、氮气以及阳光辐射激发分解出的氧原子和氮原子分别按其比重呈层状分布,相应地,电离密度也是呈层状分布的。

在大气圈中,N2占78%,O2占21%,其实还有一个惰性元素氩(Ar)占0.93%,这几种气体既不吸收也不没有热辐射;CO2,CH4,N2O和O3等痕量气体虽然只占大气总体积混合比的0.1%以下,但会吸收和放射辐射,在地球能量收支中起基本作用,对地球气候有重大影响,所以我们在气候变化中,非常关注这些气体的浓度,特别是浓度的增加。有人可能会问,水汽(H2O)不是最强的温室气体吗?是的,水汽的确是最强的温室气体,还可通过相变转化成水滴、云滴与冰晶,对地球气候影响也非常大。但是,我们要知道,与其他气体不同,水汽可以简单地通过相变进出大气圈,并没有稳定的混合比,充其量只是对气候变化起推波助澜的作用,而不是决定性的作用。其他几种温室气体,一旦进入大气圈,要减少它们则是一个相当复杂而漫长的生物地球化学循环过程。

刚才说了,臭氧是一种温室气体,对流层和平流层之间的臭氧层吸收太阳紫外辐射,在平流层的辐射平衡中起着重要作用;我们曾经说到南极洲上空臭氧层的空洞呀,都非常担心,也是人类破坏大气化学的一个重要案例。这里显示的这张图,是2015年9月英国利兹大学的科学家在《科学》杂志上所发表的一篇文章的插图。该文指出,南极洲上空臭氧层空洞近些年来出现了恢复迹象。这要感谢1987年签订的《蒙特利尔议定书》,人类的这一努力持续了近30年,现在看来,环境政策确实发挥了作用。另外,悬浮的固态、液态气溶胶与云层以极其复杂的方式,同入射太阳辐射和射出长波辐射尽心相互作用,影响地球的气候变化,也正日益引起人们的关注。

为了便以理解后面的问题,我们先来了解几个概念。这些概念也许你们在物理化学这门课中会学习到,我们这里只是简单提一下。自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对零度(-273℃),就存在分子和原子无规则的运动,其表面就不断地有热辐射。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布,我们这张图上显示的就是不同电磁波的谱分布范围。这种谱分布与物体本身的特性,特别是温度极其相关,因而被称为热辐射。我们后面会看到,红外成像设备能探测到这种红外线,反映物体表面的红外辐射场,即温度场。同时,任何物体还都具有不断吸收和反射电磁波的能力,那么这些物性对于我们研究该物体本身的辐射是有干扰的。所以物理学家们就定义了一种理想的物体黑体,以此作为热辐射研究的标准物体。所谓黑体,指入射的电磁波全部被吸收,既没有反射,也没有透射,只有黑体本身的向外辐射。黑体辐射简单说来就是热平衡物体的辐射谱,其辐射的谱,同物质是什么种类没有关系,只与辐射物质的温度有关。虽然叫黑体,但黑体并不是说它必须是黑色的,二者几乎没有什么联系。例如太阳为炽热的气体星球,也不是黑色的,但我们完全可以认为射向太阳的电磁辐射是很难被反射回来的,所以我们在研究中就可以认为太阳是一个黑体。当然,绝对黑体是不存在的。

一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射,温度越高,辐射出的总能量越大,短波成分也就越多。这样的规律,我们一般用两个定律来描述,一个是维恩位移定律,也就是说,温度越高,辐射谱线最强波段的波长越趋近短波长;反之亦然。还有一个叫做斯特凡-波兹曼定律,温度越高,黑体辐射发出的能量通量就越高。

维恩位移定律在实际中有非常丰富的应用,具体表现为热象图,也就是通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况,来确定物体表面的温度分布。比如,小尺度来讲,可以用来监测人体某些部位的病变,大尺度上,可用于遥感中监测森林防火。目前,热象图的应用范围日益广泛,在宇航、工业、医学、军事等方面应用前景非常好。

自然界中的太阳光是复色光,人工制造的日光灯、白炽灯等所发出的光也是复色光。所以,复色光不单单指太阳发出的白光,但白光一定是复色光。为了能识别复色光中各种波长(或频率)的光,我们一般用三棱镜来区分,因为不同波长的光在介质中有着不同的折射率,最终的出射光出现色散现象,投映出连续的或不连续的彩色光带。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。

人眼能看到的颜色。是不是一种颜色对应一种波长呢?如果是这样,那么为什么红色兑绿色,可兑出黄色呢,红绿蓝混合可以兑出白色?红、绿、蓝就是我们所说的色光三原色,如左边这张图所示,我们的三原色还可以兑出更多的颜色组合,电脑显示器的眼里就是采用RGB输出。除色光三原色外,还有另一种三原色,称颜料三原色。因为颜料吸收光线,而不是将光线叠加,因此颜料的三原色就是能够吸收红绿蓝的颜色,也就是其补色,分别为青、品红、黄,俗称CMYK,也就是我们的喷墨打印机墨水颜色的组合。

那么,究竟什么是颜色?其实颜色就是我们人类大脑在可见光范围内对不同光谱的识别和认识。据说人类可以分辨约1千万种颜色。其实,人类的视觉能识别的颜色,比光谱更丰富,譬如女生最喜欢的粉红色,还有其他的诸如褐色,虽然人类能够轻易识别,但光谱就没有包含这些颜色,所以光谱和颜色是有区别的。也就是说,某种颜色并不一定能找到对应的光谱,更可能是多种光谱的组合,也就是说,它是复色光,而且可能有无穷多种叠加方法可以让人感受到这种粉红色。

前面说到,光谱的组合所产生的颜色让我们感受到了这个色彩丰富的世界。接下来,我们的问题是:为什么晴朗的白天是蓝色的,要回答这个问题,我们先要学习一个定律——瑞利散射,该定律说,半径比光的波长小很多的微粒会对入射光进行散射,散射光的强度和入射光波长λ的4次方成反比。也就是说,在天空中的可见光中,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易散射。这是我们在地面看到的情况,而且在雨过天晴或秋高气爽时,空中较粗微粒较少,主要以分子散射为主,在大气分子的强烈散射作用下,蔚蓝色弥漫天空。设想一下,如果我们能乘坐飞船顺着大气层继续垂直抬升,可能会发现一系列变化,大气密度随高度急剧降低,大气分子的散射效应也相应减弱,天空的颜色也会随高度的增加由蔚蓝色变为青色,这出现在约8公里的地方、然后在约11公里处是暗青色、13公里处是暗紫色、21公里处是黑紫色,再往上,空气非常稀薄,大气分子的散射效应极其微弱,天空便为黑暗所湮没。可以说,瑞利散射的结果,减弱了太阳投射到地表的能量。

同样的道理,可以解释海水的颜色。在清洁的大洋水中,悬浮颗粒少,粒径小,分子散射起着主要的作用,其散射服从瑞利散射定律,呈深蓝色。

而当日落或日出时,太阳光在大气中要走相对很长的路程,我们所看到的直射光中的波长较短,蓝光大量都被散射了,只剩下红橙色的光,这就是为什么日落时太阳附近呈现红色,而云也因为反射太阳光而呈现红色,但天空仍然是蓝色的。

好了,这一部分的内容结束了。我们其实在本节内容中,除了介绍大气圈的结构之外,还附带介绍了大气圈中的一些自然现象,希望对大家有用,再见。

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