地球圈层结构研究全文Word文档格式.docx
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地面以上的圈层称为地球外部圈层,地面以下的圈层称为地球内部圈层。
二、地球外部圈层结构
地球外部圈层(EarthOuterLayer)结构由大气圈、水圈和生物圈3个圈层构成。
地球外部各个圈层不仅围绕地球表面各自形成一个封闭的体系,同时彼此相互关联、相互影响、相互渗透和相互作用;
而且还共同促进地球外部环境的发展和演化。
地球生命主要存在于大气圈、水圈和生物圈3个圈层之中。
人类活动造成的环境污染和生态破坏,目前主要发生在大气圈、水圈和生物圈之中。
因此,进一步认识和研究这3个圈层,对于理解环境污染和生态破坏发生和发展的规律,寻找解决生态环境恶化问题的方法,保护和改善地球生态环境,都具有十分重要的意义。
㈠、大气圈
1、大气圈概述
大气圈(Atmosphere),又叫做大气层,是指由于地球重力作用而围绕着地球的一层混合气体或气体圈层。
大气圈包围着地球的海洋和陆地。
它分布于地面以上至少高达2000~3000km的高空。
大气圈没有确切的上界,在离地表2000~16000km高空仍有稀薄的气体和基本粒子;
在地表以下,土壤和岩石的孔隙裂隙中也有少量气体,它们也可以认为是大气圈的一个组成部分。
大气圈是地球生命(人类以及生物和微生物)赖以生存和繁殖必不可少的物质条件,是使地表保持恒温和水分的保护层,是促进地表形态变化的重要动力和媒介,同时它也是地球与宇宙物质相互交换的前沿。
大气圈的主要成分为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04%的微量气体。
这些混合气体通常被称为空气。
2、大气圈结构特征
根据大气圈温度随高度垂直分布的特征和规律,通常将其划分为5层,自下而上依次为:
对流层、平流层、中间层、热层(含电离层)及逸散层。
由逸散层再向外,即为太阳上层大气(相对于太阳)。
太阳上层大气是太阳活动爆发的区域。
太阳活动对地球空间的影响主要是通过太阳上层大气的电磁辐射和粒子辐射来实现的。
通常认为,在地球大气圈的逸散层以外就是星际空间了。
⑴、对流层
①、对流层概述
对流层(Troposphere)是指大气圈靠近地面的最低的一层,是大气圈中空气密度最高、对流最强盛的一层。
它因其中空气对流强盛而得名。
对流层从地球表面开始向高空伸展,直至对流层顶、平流层底为止。
它蕴含了整个大气圈大约75%的质量,以及几乎所有(90%以上)的水蒸气和气溶胶的质量。
对流层下界为与地面的接触面,其上界高度随地理纬度和季节而变化。
在低纬度地区,对流层平均高度为17~18公里;
在中纬度地区平均高度为10~12公里,在极地平均高度为8~9公里。
并且,对流层高度夏季高于冬季。
在英语中对流层一词“Troposphere”的字首,是由希腊语的“Tropos”(意即“旋转”或“混合”)引伸而来。
正因为对流层是大气层中湍流最多的一层,所以喷气客机大多会飞越对流层顶,以便避开影响飞行安全的气流。
在宇宙中恒星也有对流层。
太阳内部能量向外传播除了辐射以外,还有对流过程。
从太阳0.71个太阳半径处向外到达太阳大气层底部,这一区间叫做太阳对流层。
这一层气体性质变化很大,很不稳定,形成明显的上下对流运动。
这是太阳内部结构的最外层。
②、对流层物质组成
对流层蕴含以下物质成份:
氮(N2)、氧(O2)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、硫酸根(SO4)、二氧化氮(NO2)、氢氧根(OH-)。
③、对流层结构与分层
对流层具有分层结构。
按照气流和天气现象分布的特点,对流层可分为下层、中层和上层。
A、对流层下层
对流层下层,又称为扰动层或摩擦层。
其范围一般自地面到2公里高度。
随着季节和昼夜的不同,下层范围也有一些变动。
一般是夏季高于冬季,白天高于夜间。
在这一层里,气流受地面摩擦作用的影响较大,湍流交换作用特别强盛。
通常,随着高度的增加,风速增大,风向偏转。
在这一层中,由于地面热力作用的影响,因而气温也有明显的日变化。
由于本层的水汽、尘粒含量较多,因而低云、雾、浮尘等出现频繁。
B、对流层中层
对流层中层的底界为对流层下层(摩擦层)顶面,其距地面的高度约为6公里。
它受地面的影响比摩擦层要小得多。
其气流状况基本上可表征整个对流层空气运动的趋势。
大气中的云和降水大都产生在这一层中。
C、对流层上层
对流层上层的范围是从对流层中层顶面伸展到对流层的顶部。
这一层受地面的影响更小。
气温常年都在0℃以下,水汽含量较少,各种云都由冰晶和过冷水滴组成。
在中纬度和热带地区,在这一层中常出现风速等于或大于30米/秒的强风带,即所谓的急流。
D、对流层顶
在对流层和平流层之间有一个厚度约为数百米到1~2公里的过渡层,称为对流层顶。
它是对流层与其上的平流层的边界,距离地面约为11公里附近的位置。
但是,对流层顶的高度会随着季节和纬度的变化而有所变化。
一般来说,在赤道地区附近约高17公里,而在极地附近则约高9公里;
其平均高度大约为11公里左右。
长途客机大多会在这个边界上飞行。
要计算对流层气温随高度的变化,需要认识平流层。
因为,平流层界定了对流层的位置。
在对流层,气温随高度而下降;
反之,在平流层,气温会随高度而上升。
当气温递减率由正数(在对流层)转变为负数(在平流层)的现象出现时,这正好表示那里是对流层顶的位置了。
对流层顶的主要特征是,气温随高度增加而降低的情况在这里发生突然变化。
其具体变化情形是:
温度随高度增加而降低很慢,或者几乎为等温。
通常根据这一变化的起始高度来确定对流层顶的位置。
对流层顶的气温,在低纬度地区平均约为-83℃,在高纬度区约为-53℃。
对流层顶对垂直气流有很大的阻挡作用,上升的水汽、尘粒多聚集于其下,使得那里的能见度往往较差。
④、对流层大气压力
大气压力(AtmosphericPressure)是指由大气层自身重力产生的作用于物体上的压力。
在气象学上的气压是指单位面积上所受大气柱的重量,即大气压强,也就是大气柱在单位面积上所施加的压力。
大气压力与高度有密切关系,即大气压力随高度增加而递减。
在近海平面1000hPa附近,高度每上升约10m,气压降1hPa;
在500hPa(5500m)附近,高度每上升约20m,气压降1hPa;
在200hPa(12000m)附近,高度每上升约30m,气压降1hPa。
大气压力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就愈大。
由于大气的密度越靠近地面越大,因而气压随高度的变化值也是越靠近地面越大,越向高空越小。
例如,在低层,每上升100米,气压降低约10毫巴;
在距地面5~6公里的高空,每上升100米,气压仅降低约7毫巴;
而到距地面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之中。
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,每年夏季气压最低。
但是有时候,如在一次寒潮影响时,气压会很快升高;
冷空气一过气压又会慢慢降低。
⑤、对流层气温
由于对流层大气的主要热量来源是地面辐射,离地面越高空气受热越少,气温也就越低,因而对流层气温随高度升高而降低。
例如,中国青藏高原地区的对流层比相同高度的其它地区的对流层的温度明显较高,就是因为它提高了地面辐射的位置。
对流层气温随高度变化的普遍规律是:
高度每上升100米,气温下降0.65℃;
或者高度每上升1公里,气温平均下降6.49℃。
在对流层,当空气上升时,空气会因气压降低而随之扩张;
为了使空气扩张需要有一定的功施加于四周,因此气温还会因空气上升而降低。
在中纬度地区,气温会从海平面大约17℃下降至对流层顶大约-52℃。
在两极地区(高纬度地区),由于对流层气体相对稀薄,因而气温只会下降至-45℃;
相反在赤道地区(低纬度地区)气温可以下降到-75℃。
由于对流层气温具有随高度变化的普遍规律,对流层的上部冷下部热,因而形成了对流层空气对流运动特别显著和强烈的特点。
中文“对流层”名称因此而得名。
一般情况下,对流层气温随高度升高而降低。
但是,在一定条件下,在对流层中也会出现气温随高度增加反而上升的现象,这种现象称为“逆温现象”。
这是因为受地表影响较大,气象要素(气温、湿度等)的水平分布不均匀;
空气有规则的垂直运动和无规则的乱流混合都相当强烈,上下层水气、尘埃、热量发生交换混合的缘故。
⑥、对流层天气现象
由于90%以上的水气都集中在对流层中,因而云、雾、雨、雪等众多天气现象都发生在对流层中。
⑶、平流层
①、平流层概述
平流层(Stratosphere),又称为同温层,是指地球大气圈中上热下冷的一层。
平流层是夹于大气圈对流层与中间层之间。
按温度,该层被分成不同的温度层。
其中,高温层位于顶部,低温层位于底部。
而对流层则刚好相反,是上冷下热的。
在中纬度地区,平流层位于距离地面10~50公里;
而在极地,该层则起始于距离地面8公里左右。
②、平流层物质组成
平流层物质组成主要为氮气、氧气,含少量的水汽、臭氧(在距地面22~27千米形成臭氧层)、尘埃、放射性微粒、硫酸盐质点。
③、平流层温度
平流层温度随高度增加而升高。
平流层的顶部温度大约在270K(K为热力学温标单位的符号)左右变化(注),与地面气温差不多。
平流层顶部称为平流层顶,在此之上气温又再次以随高度增加而降低。
由于高温层在上而低温层在下,因而平流层空气较为稳定。
在平流层里没有常规的对空气流活动及与此相连的气流。
注:
热力学温标,又称为开尔文温标、绝对温标,简称开氏温标,是国际单位制七个基本物理量之一,其单位为开尔文,简称开,符号为K。
热力学温标T与人们惯用的摄氏温标t的换算关系式是:
T(K)=273.15+t(℃)。
平流层的增温是由于臭氧层吸收了来自太阳的紫外线,把平流层顶部加热的结果。
至于平流层的底部,来自顶部的传导及下部对流层的对流刚好在那里相互抵消,所以极地的平流层会在较低高度出现。
这是因为极地的地面气温相对较低。
在北半球的冬季,平流层突发性增温经常发生。
这是因为平流层吸收了罗斯贝波所致。
罗斯贝波(RossbyWave)是大气中的一种非常缓慢的、大尺度的波动。
它是由于地球自转时,在不同纬度和高度上的角速度不同所引起的。
罗斯贝波从对流层的中下层到平流层低层都可以见到。
④、平流层臭氧
平流层中最重要的化学组分就是臭氧(O3)。
臭氧是地球大气中的一种微量气体,由三个氧原子组成,是氧气的同素异形体。
臭氧在大气圈中通常分布在对流层和平流层中。
环绕在地球表面至高空8~16公里范围内的一层大气为对流层。
这对流层中的臭氧对人类和生态环境是有害的,它也是当前城市大气光化学烟雾污染的主要物质。
对流层向上至大约50公里左右的范围为平流层。
实际上,平流层保存了大气中90%的臭氧。
位于这一高度的平流层臭氧能有效地吸收对人类健康有害的紫外线(UV-B段),从而保护了地球上的生命。
臭氧层损耗的主要原因是因为平流层中存在着含氯氟烃。
含氯氟烃是氯、氟及碳的聚合物。
由于含氯氟烃的稳定性、价钱低廉、无毒性、非易燃性、非腐蚀性,因而时常被用作喷雾剂、冷却剂及溶剂等。
但是,正因为它的稳定性而使其持续存在于环境之中,不易化解。
这些含氯氟烃分子会逐渐地飘移到平流层,继而产生一连串的链锁反应,最终使臭氧层受到损耗。
⑤、平流层环流特性
平流层是一个放射性、动力学及化学过程都会有强烈反应的区域。
因为其水平的气态成份混合比起垂直的气态成份混合来得要快。
一个较为有趣的平流层环流特性是发生于热带地区的“准双年震荡”(QBO)。
这种现象是由重力波引导的,并且是由于对流层的对流而引起的。
准双年震荡导致了次级环流的发生。
这对于全球性平流层输送诸如臭氧及水蒸气等气体尤为重要。
⑥、平流层短波紫外辐射
由于平流层的高度比对流层高,因而与到达地表的太阳辐射相比,平流层的太阳辐射含有更多的短波紫外辐射。
一般将来自太阳的紫外辐射按照波长的大小分为三个区。
波长在315~400nm(1nm=10~9m)之间的紫外光称为UV-A区。
该区的紫外线不能被臭氧有效吸收,但是也不会造成对地表生物圈的损害。
事实上,这一波段少量的紫外线也是地表生物所必需的。
它可促进人体的固醇类转化成维生素D;
若缺乏则会引起软骨病,尤其是会对儿童的发育产生不良的影响。
波长在280~315nm之间的紫外光称为UV-B区。
这一波段的紫外辐射是可能到达地表并且对人类和生态系统造成最大危害的部分。
波长在200~280nm之间的紫外光称为UV-C区。
该区紫外线波长短、能量高,不过这一区的紫外线能被大气中的氧气和臭氧完全吸收,即使平流层臭氧发生损耗,UV-C波段的紫外线也不会到达地表造成不良影响。
⑦、平流层季候风
平流层内的风力分布颇为特别。
由于平流层底部受到对流层顶部的西风带影响,因而平流层底部几乎都盛行西风。
然而,在平流层上中部则会出现以下现象。
由于在极地附近的夏季会有极昼的现象发生,处于夏季的半球高纬度地区受到的日照时间会比低中纬度地区为长,结果导致高纬度地区温度比低中纬度地区高,随即进入高压状态。
反之,而在低纬度地区则会相对地处于低压状态。
因此便产生了出从高纬度高压处流向低纬度低压处的气流。
这种气流由于受到“科里奥利力”的影响而变成了东风。
所以,在平流层上中部除了特别的场合以外,都属于东风带,夏季会比较盛行东风,称为平流层东风。
科里奥利力(CoriolisForce),又称为哥里奥利力,简称科氏力,是对在旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性相对于旋转体系而产生的直线运动的偏移的一种描述。
科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。
在冬季来临时,这种现象就会发生逆转。
与夏季相反,极地附近整天都不会受到太阳照射,结果导致高纬度地区温度比低中纬度地区低,随即进入低压状态。
反之,而在低纬度地区则会相对地处于高压状态。
因此便产生了从低纬度高压流向高纬度低压的气流。
这种气流由于受到“科里奥利力”的影响而变成了西风,称为平流层西风。
由于平流层西风及平流层东风随季节变化而改变风向,因而可以被认为是季候风的一种,称之为平流层季候风。
平流层西风及平流层东风的最大风速都可达大约50米/秒。
⑷、中间层
①、中间层概述
中间层(Mesosphere),又称为中层,是指自平流层顶到距地面85千米之间的大气层。
在该层内,由于臭氧含量低,同时能被氮、氧等直接吸收的太阳短波辐射已经大部分被上层大气所吸收,因而温度垂直递减率很大,大气对流运动强盛。
中间层顶附近的温度约为190K;
空气分子在吸收太阳紫外辐射以后可以发生电离,因此习惯上将中间层顶称为电离层的D层;
有时在高纬度夏季黄昏时会有夜光云出现。
②、中间层物质组成
中间层物质组成以氮气和氧气为主,几乎没有臭氧。
③、中间层主要特征
中间层主要特征如下:
A、气温随高度增加而迅速降低
中间层主要特征之一是气温随高度增高而迅速降低。
中间层顶界气温可以降至-83~-113℃。
这是因为该层臭氧含量极少,不能大量吸收太阳紫外线,而氮、氧能吸收的短波辐射又大部分被上层大气所吸收,因此中间层气温随高度增加而迅速降低。
中间层与对流层一样,气温随高度按比例递减。
在中间层底部,高浓度的臭氧会吸引紫外线使平均气温徘徊在-2.5℃左右,甚至会高达0℃左右。
但是,由于随着高度增加臭氧浓度会随之降低,因而在中间层顶的平均气温又会降至-92.5℃的低温。
所以,通常在中间层顶附近,是大气垂直结构内气温最低的部分。
由于中间层的平均气温递减率比对流层小,因而虽然有少部份大气对流活动发生,但是其大气相对比较稳定,很少发生高气压、低气压的现象。
并且由于中间层的大气密度非常之低,因而该层的热力构造主要决定于以下二者的平衡:
一是氧分子吸收太阳紫外线把大气加热,二是二氧化碳放射红外线将大气冷却。
B、大气产生相对强烈的对流运动
中间层另一个主要特征是中间层大气会产生相对强烈的对流运动。
因此,中间层又称为高空对流层或上对流层。
这是因为该层大气上部冷、下部暖的缘故。
但是,由于该层空气稀薄,因而其大气对流运动强度不能与对流层相比。
中间层夏季会比冬季处于一个气温更低的状态。
这是因为在冬季时,大气重力波破碎在这一层输送向西的动量,如同施加向西的拖曳力。
为了平衡这一拖曳力,大气必须朝极地经向运动获得朝东的“科氏力”。
这一由夏极地到冬极地的大气经向运动造成了夏极地的大气上升,绝热膨胀冷却;
而冬极地的大气则下沉,绝热压缩加热。
由于这一大气环流对温度的影响超过了太阳辐射加热,因而导致中间层顶的温度反而是阳光直射的夏极地最冷,而无阳光的冬极地则最热。
所以,夏季中间层顶的气温可以低至-100℃以下。
在如此低温之下,像夜光云般的特殊薄云也有可能被观测到。
在中间层顶以上的大气中所蕴含的原子、分子,因受到太阳紫外线影响而产生电离,增加了自由电子。
在大气中产生气体原子、分子电离的层次称为电离层。
其中最底的一层即D层,就位于中间层顶附近。
它位于距离地面50~90公里的高空。
所以,中间层顶部的电子密度处于一个比较多的状态。
④、中间层气压
中间层不会发生高、低气压。
但是,由于中间层的大气密度非常小,因而像行星波之类的长周期波动,会以一个大的振幅从底层传递上来。
根据这样的波动现象,在振幅极大的地方会形成力学上不稳定的部分。
再者,这种波动现象也同样会对其附近的大气循环造成较大影响。
⑤、中间层夜光云
夜光云(NoctilucentCloud),又称为极地中气层云,是指深曙暮期间出现于地球高纬度地区高空的一种发光而透明的波状云。
它的产生一般需要有三个条件,即:
低温、水蒸汽和尘埃。
这样,水蒸汽才能凝结成极小的冰晶。
从外层空间所见的夜光云称为夜耀云(Night-shiningClouds);
而从地球上所见的夜光云才称为夜光云。
它是一种主要形成于中间层的云,一般只形成于距离地面82~102公里的大气空间边缘部位。
夜光云只有在高纬度地区(50°
~65°
)的夏季,当太阳在地平线以下6°
~12°
时,即低层大气在地球阴影内而高层大气的夜光云被日光照射时,才能用肉眼直接观察到。
⑸、热层(含电离层)
①、热层概述
热层(Thermosphere),又称为热成层、暖层、热气层或增温层,是指中间层顶(距地面大约85千米)至250km(在太阳宁静期)或500km左右(太阳活动期)之间的大气层。
它位于中间层顶之上和散逸层之下,其顶部距离地面约为800km。
从热层底部向上,大气温度迅速增加;
达到温度梯度消失时的高度即为热层顶。
热层没有明显的顶部。
通常认为,在垂直方向上气温从向上增温转变为等温时的高度,即为热层顶上限。
热层顶高度随太阳活动强弱而变化很大,通常在300~500千米之间。
②、热层气温特征
在热层中,气温随高度增加而迅速增高。
这是因为波长小于0.175μm(微米,1mm=1000μm)的太阳紫外辐射都被该层中的大气物质(主要是原子氧)所吸收的缘故。
热层增温程度与太阳活动有关。
当太阳活动加强时,温度随高度增加很快升高,这时500km高度处的气温可增至2000K;
当太阳活动减弱时,温度随高度增加增温较慢,500km高度处的温度只有500K。
热层几乎吸收了波长短于1750埃(Å
,1Å
=10-10m,1μm=104Å
)的全部太阳紫外辐射,成为主要热源。
热层温度结构主要受太阳活动的支配。
在热层内温度很高,热层顶温度可达1500K,昼夜变化很大。
③、热层大气密度与质量
热层存在于距地面85公里以上的高空。
在这样的高度,剩余的大气将根据分子量来分层。
热层的空气极为稀薄,该层质量仅占大气总质量的0.5%。
在距地面120公里高度以上的空间,空气密度已小到声波难以传播的程度;
在270公里高度上,空气密度约为地面空气的百亿分之一;
在300公里的高度上,空气密度只有地面空气的千亿分之一;
再向上空气就更加稀薄了。
④、热层电离层
热层中的大气分子由于吸收了太阳短波辐射因而其电子能量增加,其中一部分大气分子处于高度电离状态。
这些电离过的离子和电子便在热层中形成了电离层。
由于电离层可以反射无线电波,因而它被人类利用来进行远距离无线电通信。
热层的电离层分为以下三层:
E层(距地面100~120公里)、F1层(距地面170~230公里)、F2层(距地面200~500公里)(夜间融合为F层,大约距地面300~500公里)。
而且,因季节变化还会出现突发性E层(Es层,大约距地面100公里)。
另据认为,在热层中空气处于高度电离状态,其电离的程度是不均匀的。
其中,电离最强的有两层,即:
E层(大约距地面90~130km)和F层(大约距地面160~350km)。
F层在白天还分为F1和F2两层。
据研究高层大气(距地面60km以上)由于受到强太阳辐射,迫使气体原子电离,产生带电离子和自由电子,从而在高层大气中能够产生电流和磁场,并且可反射无线电波。
这种高层大气称为电离层。
正是由于高层大气电离层的存在,因而人们才能够收听到很远地方的无线电台的广播。
⑤、热层极光和夜光云
在地球高纬度地区,因磁场作用而被加速的电子会顺势流入热层,与热层中的大气分子发生冲突,继而使热层中的大气分子受到激发而产生电离。
当那些受到激发而产生电离的大气分子复回原来状态时产生的发光现象,就称为极光。
极光(Aurora),是一种绚丽多彩的等离子体现象,是由于太阳的高能带电粒子流(太阳风)进入地球磁场,因而在地球南北两极附近地区的高空夜间出现的灿烂美丽的光辉。
在南极的极光被称为南极光,在北极的极光被称为北极光。
地球的极光是由于来自地球磁层或太阳高能带电粒子流(太阳风)使高层大气分子或原子被激发、发生电离而产生的。
极光产生的条件有三个,即:
大气、磁场、高能带电粒子流。
现代物理学对极光产生原理有详细的描述。
地球上的极光是由于来自磁层和太阳风的高能带电粒子流被地磁场引导进
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