大氣層為什麼不是地球的守護神（無形無質的大氣圈）

2023-09-11 06:38:45

我們每天看到的太陽光，其實是已經削弱的版本。

真實的太陽輻射，對地球生物並不友好。

而我們之所以能直接接觸太陽輻射，這是地球大氣層在保護我們。

大氣對太陽輻射有吸收、反射、散射等作用。

這讓太陽輻射到地面之前，在質和量上都經過了削弱。

尤其是到達地面之前，太陽輻射中的紫外線幾乎絕跡。

上圖虛線部分是未削弱的太陽輻射，實線部分是我們接觸到的太陽光。

這裡有一個問題。

大氣無形無質，明明是透明的，是怎麼做到削弱大氣輻射的呢？

這就要從大氣的成分說起。

地球大氣是很多種物質的混合體，是氣體、液體和固體雜質的混合體。

總的來說，大氣由幹潔空氣、水汽、懸浮塵埃和雜質組成。

這其中，幹潔空氣指除了水汽、液體和固體雜質的混合氣體，是大氣的主要成分。其主要成為有氮、氧、氬和二氧化碳。

在這些大氣成分中，各成分各司其職。

比如大氣中的水汽、臭氧和液態水能夠直接吸收太陽輻射，而氧氣和氮氣對太陽輻射的吸收微乎其微。

二氧化碳雖然很少直接吸收太陽輻射，但是它能吸收被地面反射的太陽輻射。

平流層以上的臭氧和氧氣能強烈吸收紫外線，而近地面水汽能吸收紅外線。

此外，空氣中懸浮的微粒和雲層對太陽光的反射和散射有重要作用。

比如雲層達到50-100m時，太陽輻射會被全部反射，地球氣溫將會下降。

這在現實生活中可以找到佐證。

1815年，印尼坦博拉火山噴發。

這場被評估為近萬年來最強烈的火山噴發事件不僅導致超過10萬人喪生，漂浮的空氣塵埃還讓第二年的全球氣候約下降了0.4℃至0.7℃，亞歐美洲多地在6月至8月出現霜凍、降雪，導致糧食大幅度減產。

可以說這是火山爆發引起的「核冬天」。

削弱太陽輻射，可以說是大氣的一個小功能。

大氣最突出的作用是保溫，大氣和地球地面相互保住，形成了地-氣系統，運轉和保護太陽輻射所帶的能量。

這也是為什麼其他星球的表面溫度可以白天427℃，晚上-173℃（水星），而地球的氣溫能保持適合穩定溫度的原因。

太陽輻射是地球表面能量的唯一來源，如果想要留住這些能量，就需要大氣和地表的完美配合。

其實，大氣只能吸收18%的太陽輻射，這主要還要大氣歸功臭氧、水汽和液態水（大氣直接吸收太陽輻射）。

這時候，地表開始發揮作用，地表能夠吸收太陽輻射，在吸收熱量的同時，地表自身發熱，向大氣層散髮長波輻射。

大氣中的二氧化碳，雖然很少直接吸收太陽輻射，但是二氧化碳能夠強烈吸收地面散發的長波輻射。

就這樣，地面成為加熱大氣的第二熱源。如果沒有地面長波輻射，地表氣溫將下降40℃。

由此，可見地面長波輻射的重要性。

此外，大氣和地表之間還存在潛熱輸送，這主要是水循環的功勞。

水分蒸發會吸收地表的熱量，水汽在空中凝結會釋放熱量，這些完成了地-氣系統之間的主要能量交換。

最後，還存在一種叫做感熱輸送，大意為：大氣和地表相互接觸，熱量總會從高溫向低溫傳導，這就形成了感熱輸送。

j就像之前所說，大氣是一個混合物。

所以，一定會有分層現象。

如果從大氣各成分是否平均分布的角度看，大氣可以分成兩層。

從地表到85km高空，大氣是均質的，除了水汽變動大，其他成分組成單一（就是均質的混合物）。

而85km以上的大氣層，可以說是非均質層，可以分為氮層、原子氧層、氦層和氫層，這些層是單一氣體組成。

雖然非均質層只有大氣總質量的0.01%，但對地球生物有重要影響。

非均質層可分為光化層和電離層。

光化層，如臭氧層，就是阻擋紫外線的最強屏障。

而電離層包含大量離子，能夠反射無線電波。

這也是我們無線電通訊，就是依靠電離層。

除了上述的分類，在氣象學上，根據大氣溫度和運動情況，還可將大氣分成對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。

對流層就是我們所在的最底層，這裡因為熱量最為集中，空氣垂直運動也最為旺盛。

此外，這裡的最大特點是溫度隨著高度上升而下降，每上升100米，氣溫下降0.65℃。

對流層最高處在赤道附近，而那裡的溫度只有-83攝氏度。反而高緯度地區的對流層沒有赤道高，他們頂端的溫度為-53℃。

溫度變化是區分對流層和平流層的方法之一。

平流層隨著高度上升，溫度保持不變或者微微上升，平流層頂端的溫度一般可達-3℃—-17℃。

此外，平流層水汽塵埃少，高空視野極佳，適合飛機飛行。

溫度變化也是區分平流層和中間層的方法。

到了中間層，隨著高度上升，溫度急劇下降，可下降到-83℃，是大氣圈中最冷的部分。

在穿越中間層後，來到暖層，顧名思義，這裡是個有熱量的地方。

在暖層中，溫度會隨著高度的上升而快速上升。

暖層是非均質層，大家耳熟能詳的臭氧層所在地。

這裡是吸收太陽紫外線的地方，因此高度越高，溫度越高，在暖層頂端，溫度可達1000℃以上。

此外，由於太陽輻射和宇宙射線的作用，暖層的空氣處在高度電離狀態。

因此，暖層也有好幾層電離層，極光現象也出現在這個層。

在過去，氣象學家曾將極光發生的最高處稱作大氣層的邊界，約1200千米高空。

但物理學根據大氣的物理特徵，將3000千米定位大氣上界。

這段區域，被稱為散逸層，這裡空氣極其稀薄，隨著高度上升，溫度還是上升。

而且散逸層的地球引力很小，高速運動的分子可以掙脫地球束縛，逃向宇宙。