地球的大气层和气体层

Encyclopédie environnement - atmosphère -température selon altitude

  地球被一个气态区域包裹着,俗称为大气,尽管从词源上讲,大气是指氧气含量能维持人类呼吸的最低和最密集的层。在这个气体包层中,存在着几个不同的同心层,首先是对流层,高达12千米,其次是平流层,高达60千米,最后是中间层。超过这个高度,空气变得过于稀薄,则无法视作气体。正是这些层的特定性质证明了它们这样取名是正确的;这种机制使温度非单调变化,而气压和密度随海拔高度有规律地降低。这一大气层对地球上的生活条件有着至关重要的影响,一方面是因为它对气候的影响,尤其是温室效应;另一方面是因为它作为一个屏障过滤了大部分太阳辐射。

1. 大气的分层结构

环境百科全书-地球的大气层和气体层-大气层的横截面
图一. 2011年6月,美国国家航空航天局(NASA)的一名工作人员在国际空间站(ISS)的日出时拍摄到了大气层的横截面。颜色从光线很暗的地面由红色变为橙色,然后是越来越深的蓝色,最后是纯黑。
[来源:美国国家航空航天局]

  在地壳、土壤和海洋等重元素之上的气体层通常被称为大气。在海平面上,大气已经比这些轻了1000倍,并且随着海拔的升高,它的密度逐渐减小。大气和地球空间环境(参见上层大气)之间的过渡通常位于离地面85公里以上的地方,那里的空气密度只有海平面的百万分之一(10-6)。图1的照片可以看到这个蓝色的气态包膜(即为天空的颜色)。

  这种介质的主要特征是它的气体性质,这意味着速度大于声速的分子(海平面空气中约340米/秒)会极其频繁地发生碰撞。更精确地说:在中等高度的空气中,两次碰撞之间的典型时间(海平面上大约10-9秒)比鸟类和飞机在这种环境中飞行的时间短得多,也比典型的风和大气运动短得多。除此之外,当在地球的太空环境中(参见“上层大气”),分子、原子或离子之间的距离如此之大,不再满足这一条件时,这样的环境不能被模拟为气体。此外,这种气体包膜对电磁波和光线几乎是透明的,但由于空气的粘性,声波(声音)的范围相对有限,足以耗散它们的能量。

  构成大气的同心层用三个最重要的现象来定义:热传导和对流[1]水含量吸收太阳发出的紫外线辐射。在两极地区的地面与海拔约8公里之间,以及赤道地区的地面与海拔15公里之间,热传导和对流导致了温度随高度的线性下降:平均而言海拔升高1千米气温下降6.5°C,这个值在水汽饱和的大气中是5°C/千米,在干燥空气中是9°C/千米 (图2)。为什么水汽含量会影响温度分布?这是由于在海拔高的地方出现了凝结现象,当温度和压力下降,氮和氧分子的搅动不再足以携带水分子。这种凝结释放潜热(见“压力、温度和热量”),从而削弱温度的线性冷却。第一层被称作对流层。它是凝结现象最密集,最潮湿,最激烈的一层。对流层的搅动来自自然对流,这是由于最热的气体也是最轻的气体通常位于较重的气体之下,以及或多或少在全球范围内形成的风(参见大气循环:其组织)。

环境百科全书-地球的大气层和气体层-构成大气的同心层典型的温度分布随海拔的变化
图2.构成大气的同心层典型的温度分布随海拔的变化。对流层的温度下降是由于热量从地面传导到太空造成的。平流层的变暖是由于吸收了太阳的紫外线辐射造成的。在没有大量热量输入的情况下,中间层的温度再次下降。右栏中颜色的变化体现了它们在白天从蓝色的天空变为太空的黑夜。(图中:Altitude-高度、Température-温度、Everest-珠穆朗玛峰、avions-军用飞机、Tropopause-对流层顶、ballons sondes-探空气球、Stratopause-平流层顶、Mésopause-中间层顶、Troposphère-对流层、Stratosphère-平流层、Mésosphère-中间层、Hétérosphère-非均质层)

  超过对流层顶,气体过于稀薄以至于无法通过传导和对流有效地输送热量;然后,从太阳吸收紫外线辐射才成为传输能量的主要方式。这会引起化学反应,将氧气()转化为臭氧()。这一反应是释放热量的,由于可以根据氧气和臭氧的组成来将大气区分为几个子层或层,因此这一化学反应使得第二层大气,也就是平流层变暖。这些层如图1所示。对流层顶温度在-56°C左右,在平流层顶(平流层的上限)上升到接近0°C。与对流层不同的是,在这个分层的层中,最重的气体总是位于较轻的气体之下,这提供了很高的稳定性,并防止对流层的搅动干扰。在离地面更远的地方,第三层,即中间层,由于被稀释的程度太大,以至于对紫外线的吸收就不那么显著了,这再次导致温度随着海拔的升高而下降。图2说明了这三层,它们的区分、以及过渡到超过中间层顶(中间层的上限)的非均质层(见上层大气)。

2. 大气的性质随高度是如何变化的

  ——气压呈指数递减

  由于这种气体介质相对于其分子的适当运动来说运动得非常缓慢,因此可以将它看作是在重力作用下处于静止和平衡状态的流体。这种平衡状态有几个取决于海拔高度的变量。除了重力之外,大气压不受任何外力的影响,这体现了如图3所示的指数下降,可以在空气和水[2]中找到原因。这个指数规律要求气压是随高度而降低的函数且正比于当地的压力,在海平面处气压最高(1013hPa),随着高度的增加气压越来越低(帕斯卡是国际体系的压力单位:或牛顿每平方米)。

  ——成分均匀

环境百科全书-地球的大气层和气体层-从海平面到太空的气压呈指数下降
图3.图解为从海平面到太空的气压呈指数下降(蓝色曲线),用一个图表描述重力(向下)和无穷小层的底部和顶部之间的压力差(向上)之间的力的平衡。我们可以通过这张图推导出压力变化的指数定律。基于“空气与水”,René Moreau, 2013。
[来源:EDP科学](图中:Altitude-高度、Pression-压力)

  干燥的空气主要由四种气体组成,其浓度大致如下:氮气(N2) 78%,氧气(O2) 21%,氩气(Ar) 1%,二氧化碳(CO2)0.035%。在对流层-平流层-中间层复合结构中,分子的搅动足以形成一种热力学平衡,从而这些气体所占的百分比随海拔变化很小。由于这种性质,从地球上的地面延伸到海平面以上85公里的这部分气体被称为均质层

  但是对流层中的空气并不是干燥的,除非距离作为蒸发源的水体非常远。它的水汽含量在干燥天气为零,可变化到它可能的最大值,即饱和水汽压。超过这个上限,水汽就凝结成水滴,形成雾和云。这种饱和水汽压既取决于温度(水汽压从0℃时占大气气压的0.6%上升到40℃时的7.4%),也取决于局部气压:云层在低气压中形成,带来降雨,在气压高于平均值的高气压中消失。

  ——当压力降低时,氧气耗尽

  在超过40千米的范围内,气压持续呈指数下降至接近于零的极限,这对所有形式的生命都有重要的影响(见“热爱天文学的地质学家所看到的生命起源”)。在对流层中,绝对温度[3]变化适度(从地面上的288 K到对流层顶的200 K,K代表开尔文,是国际体系的温度单位),氧含量的变化几乎和压力一样。在勃朗峰(4810米)的顶端,氧含量减少了一半。这意味着,在进行任何徒步旅行或攀登之前,登山者必须以位于海平面时两倍的速度呼吸,这样才能为身体提供同等数量的氧气,心率从每分钟60次提高到120次。许多健康的人都可以参加这项活动,这也解释了为什么会有这么多人参加这次具有象征意义的峰会。相比之下,喜马拉雅山的高峰达到8000米左右,那里的压力和氧气含量降低了三倍。徒步者必须以位于海平面时3倍的速度呼吸,在任何尝试前,徒步者必须把心率提高到每分钟180次,这使得徒步几乎不可能。这就是为什么这些高峰只留给那些经过特殊训练的运动员,因为他们已经能够把他们的正常心率降低到每分钟50次或更低。

  ——随着密度的降低,飞行变的更加困难

  通常将均匀层中单位体积空气的质量称为密度,当气体被完全稀释至可以成为标准气体(见压力、温度和热)时,气体状态方程与压力和温度有关。由于绝对温度的变化相对较小,而气压的变化从海平面的最大值到中间层的几乎为零值,因此可以经典的认为密度也呈指数变化。空气密度的快速下降解释了为什么鸟类只在对流层的低层飞行,因为那里的空气密度才足以携带它们。同样,客机的重量必须得到补偿,因此客机只能在对流层飞行,在对流层客机的大机翼能获得足够的升力。进入平流层及更远的火箭不再有机翼,只有一个小尾巴来稳定它们。

3. 在大气中的传热

环境百科全书-地球的大气层和气体层-太阳照射地球
图4. 地球不是一个面积为πR^2的圆盘,而是一个面积为4πR^2的旋转球体。因此,照射在每平方米上的阳光比圆盘接收到的阳光少4倍。(图中:Plane disc at rest Surface: πR^2-在静止表面的平面圆盘面积:πR^2、Rotating sphere Surface:4 πR^2-旋转球体表面积:4 πR^2)

  上文已经提到,对流层内的温度分布从海平面平均水平约15°C呈线性下降(见图2)。理解太阳、地球及其大气之间的热交换是理解对流层内这种线性温度分布的关键。这个问题是分析气候变化的基础,是本百科全书另一节的主题,这一段只是对它的简要介绍。这本百科全书中的“辐射与气候”(链接)和“气候机器”这两篇文章提供了更精确和更详细的记录分析。在平均地日距离下,太阳向地球辐射的热流约为1361 W/m2(瓦特是国际系统的功率单位:1W= 1焦耳/s=1N.m/s);由于离心力(大约5%),这个值在一年中会发生变化。这个尺度变化得非常缓慢,基本上与地球绕太阳轨道的变化节奏一致,周期约为10万年。它的变化是冰期和间冰期旋回交替的原因之一,正如我们正在经历的全新世

  要推导出地球发热率,有两种校正是必要的[4][5]。首先,我们必须减去反照率,即主要从云层、被雪覆盖的表面和海洋反射回太空的能量的比例。这将使热量减少到950 W/m2左右。此外,由于地球不是面积为的圆盘,而是表面积为的球体,所以这个值必须再除以4(图4),则平均热量变为240w /m2。为了使平均地面温度变化较小,所以必须存在一个热平衡,使它向空间辐射与240 W/m2相等的通量。

 

环境百科全书-地球的大气层和气体层-太阳对地球的辐射因反照率而减少
图5.太阳对地球的辐射(黄色)因反照率而减少,而地球对太空的红外辐射(红色)则受温室效应的影响而减少。基于《空气等》,René Moreau, 2013。[来源:EDP科学](图中:Albédo-反射率、Rayonnement solaire moins albédo-白昼太阳辐射、Effet de serre-温室效应、Rayonnement infrarouge émis par le sol et traversant I’atmosphère-通过地面发射的红外辐射穿过大气层的部分、Rayonnement total émis par le sol-地面总辐射、Sol et oceans-地面与海洋)

  要从这种平衡中推导出地球的平均温度,就必须使用斯蒂芬-玻尔兹曼定律,该定律将黑体辐射出的能量作为其温度的函数来表示。事实上,太阳表面温度在6000 K左右,这使得它可以辐射出非常宽的光谱,而地球的表面温度要低得多,需要它以黑体的形式在红外线中辐射(阅读即黑体的热辐射)。该定律预测地面温度为255k,或-18°C。显然,这一计算结果与海平面大气平均温度(约+15℃)不符。因此,还有另一种机制可以限制地球的冷却。这就是温室效应。由于温室效应,大气层能拦截地球上相当大一部分的红外辐射,反射回地面,大约为150瓦/平方米。因此,在热平衡时,地球表面平均排放390 W/m2,而不是240 W/m2,这就解释了为什么海平面的平均温度在+15℃左右。图5分别说明了太阳辐射对地球和地球红外辐射对空间的贡献。这篇文章重点解释了温室效应的物理起源与大气的组成有关,以及工业时代温室效应的增加。

4. 需要记住的信息

  • 地球的大气层由三层气体构成:对流层,密度足以让鸟类和飞机生活和飞行;平流层,保护我们免受太阳发出的紫外线辐射;以及极其稀疏且遥远的中间层。
  • 大气中的空气由四种主要气体组成,它们的含量随高度变化不大:氮气(71%)、氧气(21%)、氩气(1%)和二氧化碳(0.035%)。
  • 大气内部的热交换决定了地球的平均温度。太阳辐射到地面的平均热通量约为240瓦/平方米,行星的平均温度必须使其自身对空间的辐射具有完全相同的值。因此,地球的平均温度接近+15℃(或288 K)。
  • 辐射通量受到两个重要效应的影响:反照率,减少到达地面的太阳辐射并将其反射到太空;温室效应,拦截地球的部分红外辐射到太空并将其返回地面。

参考资料及说明

[1] 传导是静止的材料在没有辐射的情况下传热的方式;它是由基本粒子(气体中的分子)的搅动引起的。对流是指由于运动而产生的互补贡献,它通过将热流体抽走,并用冷流体取代它,从而放大了这种热传递,冷流体反过来又加热,等等。

[2] 大气和水体, René Moreau, EDP sciences,格勒诺布尔科学文集, 2013

[3] 绝对温度是从绝对零度开始计算的。它等于摄氏温度,从传统的起源计算,海平面融化的冰增加了273.15摄氏度。它的测量单位是开尔文(K)。

[4] 人类应为全球变暖负责吗? André Legendre, EDP Sciences, 2009

[5] 面对气候变化的人类,Robert Dautray and Jacques Lesourne, 至理名言雅各布科学, 2009


译者:肖雨薇         编审:张文霞         责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: MOREAU René (2022), 地球的大气层和气体层, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/earths-atmosphere-and-gaseous-envelope/.

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