與地球一起誕生的原始大氣, 大約只歷時 9000 萬年就被太陽風掃除了。不久, 地球內(nèi)部的揮發(fā)性物質(zhì)向地表大量泄漏出來。 這就是地質(zhì)學家所說的脫氣過程。 這些揮發(fā)性物質(zhì), 主要是二氧化碳、 甲烷、 水汽、 一氧化碳、 氨、氮、 硫化氫等氣體。 這些氣體組成了次生大氣。 除了zui輕的氣體外, 地球的重力足以把這些氣體 “拴住冶。 使它們不致逃逸到星際空間去。大約又過了十多億年, 地表開始冷卻, 稠密大氣中的水汽凝結(jié)成雨降落下來, 向坑坑洼洼的地方匯聚, 形成zui早的江河湖泊, 即原始水圈。 以后火山不斷地爆發(fā), 排出的大量水汽又變成雨水回歸地面。 經(jīng)過漫長年代的變遷, 原始水圈逐漸擴展為現(xiàn)在的*大海和湖河沼澤。 次生大氣中的二氧化碳和其他氣體, 逐漸被雨水融解降落到地面, 再滲入地下, 儲存于地殼中。上面說過, 原始大氣是在地球形成的過程中, 由于重力場的作用, 把原始太陽星云中的一部分氣體吸引到地球周圍造成的。
這個大氣圈的組成與現(xiàn)代大氣圈的組成大不相同, 它沒有氧, 沒有氮, 也沒有二氧化碳, 而是由
氫、 氧、 氦、 氖、 氨、 氬、 甲烷、水汽等共同組成的。原始大氣的量很大。 單是氫一項, 就相當于現(xiàn)在構(gòu)成固態(tài)地球的四個基本要素, 即鎂、 硅、 鐵和氧的總量的 400 倍之多。 然而, 有趣的是, 原始大氣在地球形成后, 不久就消失殆盡了。 這是因為那時地球內(nèi)部的鐵核心尚未形成,地球還沒有磁場, 強勁的太陽風把沒有地球磁場保護的原始大氣 “吹跑了。
因此, 在地球歷史的早期, 一度沒有大氣。以后, 在漫長的歲月里, 大氣經(jīng)過復雜的生消過程, 又進一步演化。 演化中的造氣過程包括: 淤火山活動, 以及通過造巖物質(zhì)融化后的結(jié)晶和凝固時釋出的氣體; 于水汽的光致離解產(chǎn)生氧; 盂光合作用產(chǎn)生氧; 榆放射性元素鈾和釷的衰變產(chǎn)生氦; 虞在太陽風中, 主要由質(zhì)子和電子組成的高溫電離氣體, 有極小一部分沖破地球磁場的屏障, 進入次生大氣的高層。 演化中有一系列的除氣過程, 如高層大氣的氫和氦掙脫地球引力進入宇宙空間, 氫、 鐵、 一氧化碳、碳酸鹽類 (硫) 等元素氧化時消耗氧, 通過空氣中氧化物的形成, 以及在土壤中變成消化細菌而消耗氮。次生大氣的形成, 又為水的分解和動植物的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。 原始綠色植物參與了改造大氣的復雜過程。 植物在光合作用中放出游離氧。 水的離解也產(chǎn)生氧。 氧的化學性質(zhì)非常活潑, 能和次生大氣中的所有其他分子發(fā)生緩慢氧化。如它能與 CO 生成 CO2, 與甲烷反應生成 CO2和 H2O。 于是, CO2漸漸多起來。光合作用又使有生命的細菌生成藻類, 利用太陽輻射能從周圍環(huán)境中攝取有機物, 進行簡單的新陳代謝作用, 吸收大氣中的 CO2, 釋放出大量的氧。另一方面, 當動植物繁茂以后, 它們的排泄物和腐爛物質(zhì)中的蛋白質(zhì), 一部分直接分解為氮, 另一些則成為氨和銨鹽, 通過硝化細菌和脫氧細菌等作用,變成了氣體氮。 氮在常溫下的化學性質(zhì)很不活潑、 不易與其他元素化合, 所以能在大氣中積累, 成為含量zui豐富的成分。 就這樣, 次生大氣就演變?yōu)橐缘?/span>氧為主的現(xiàn)代大氣。
大氣中, 除水汽、 液體和固體雜質(zhì)外的整個混合氣體稱為干潔空氣。 干潔的大氣是無色、 無臭無味的混合氣體。 它看不見, 摸不著, 卻有驚人的重量。大氣中含量zui多的成分是氮, 按體積比占 78%。 大氣中的氮能沖淡氧, 使氧不致太濃, 氧化作用不過于激烈。 在常溫下, 分子氮的化學性質(zhì)不活潑, 人和動物不能直接利用它, 但植物的生長卻離不開它。 氮是植物制造葉綠素的原料, 也是制造蛋白質(zhì)的原料。 氮還是制造化學肥料的原料。 豆科植物可通過根瘤菌的作用, 將氮固定到土壤中, 成為植物生長所需的氮肥。
大氣中含量排在第二位的是氧。 氧是人類及其他動植物呼吸、 維持生命*的氣體。 此外, 氧還決定著有機物質(zhì)的燃燒及分解過程。大氣中的氧分子分解為氧原子, 每個氧原子又與另外的氧分子結(jié)合就形成了另外一種氣體———臭氧, 因其有一種特殊的臭味而得名臭氧。 臭氧通常呈淺藍色。 在常壓下, 當溫度降至-112郾 4益時, 臭氧氣體就變?yōu)榘邓{色的液體。 當溫度降至-251郾 4益時, 它就凝固成紫黑色的晶體。
大氣中臭氧的含量很少, 而且隨著高度的變化而變化。 在近地面層臭氧含量很少, 從 10 千米高度開始逐漸增加, 在 12 ~15 千米以上含量增加特別顯著,在20 ~25 千米高度處達zui大值, 再往上, 臭氧的含量逐漸減少, 到55 ~60 千米高度上就極少了。在水平方向上, 臭氧的分布也有所不同。 赤道和低緯度的臭氧含量zui少,隨著緯度的增高, 臭氧含量也增加。 臭氧也有季節(jié)變化和日變化。 北半球高緯度地區(qū), 春季臭氧含量zui大, 秋季zui小。臭氧能大量吸收太陽紫外線, 使極少量的紫外線到達地面, 使地面上的生物免受過多紫外線的傷害。少量的紫外線能殺菌防病, 促進機體內(nèi)維生素 D 的形成, 有利于機體增大和防止佝僂病。二氧化碳是無色、 無臭、 無味的氣體。 燃料的燃燒, 有機物的腐化以及動、植物的呼吸都產(chǎn)生二氧化碳。 同時, 二氧化碳又是植物在光合作用下生長的原料。 綠色植物在新陳代謝過程中, 吸收 CO2合成碳水化合物和其他物質(zhì)。二氧化碳對太陽輻射吸收很少, 卻能強烈吸收地面輻射, 使從地表往外輻射的熱量不易散失到太空中去。大氣中的水汽主要來自海洋、 湖泊、 河流和潮濕物體表面的水分蒸發(fā)。海洋面積約占地球表面積的 70%。 平均而言, 整個海洋表面每年約有 100厘米厚的水層轉(zhuǎn)化為水汽, 全年由海洋蒸發(fā)到空中的水汽達 350 萬億噸之多;
陸地上的河流湖泊、 地面上的動植物都在向大氣輸送水汽。空氣中的水汽含量隨高度變化而變化。 一般說來, 水汽含量聚集在距地面3 千米范圍內(nèi), 高度越高, 水汽越少。 觀測證明, 在 1郾 5 ~2 千米高度上, 空氣中水汽含量已減少為地面的一半; 在5 千米高度, 減少為地面的1/10; 再往上,就少得可憐了。 就地理分布而言, 緯度越高, 水汽含量越少, 離海洋愈遠, 水汽含量愈少。 在寒冷干燥的內(nèi)陸地區(qū)上空, 水汽含量幾乎接近于零, 而在溫暖的洋面或熱帶叢林上空, 其含量按容積來說可達 4%。海洋和大陸表面的水蒸發(fā)成水汽進入大氣被氣流帶至遠處, 又產(chǎn)生降水重新回到地球表面。 其中, 有 3/4 的降水落到海洋上, 剩下的 1/4 則降落在大陸上。 就形成了持續(xù)不斷的地球和大氣的水分循環(huán)。 全年的降水量和蒸發(fā)量大致相等。 通過大氣中水分的蒸發(fā)、 凝結(jié)、 成云致雨、 落雪降雹, 使地球與大氣間的熱量和水分得到交換, 天空也變幻多端, 時晴時雨。大氣中懸浮著各種各樣大小不同的固體雜質(zhì)和液體微粒。固體雜質(zhì)的來源有自然因素和人為因素。
自然因素包括被風吹起的土壤微粒及火山噴發(fā)的煙塵, 宇宙塵埃和隕石灰燼, 細菌、 微生物、 植物的孢子花粉,巖石風化后的粉塵, 海水飛濺揚入大氣后被蒸發(fā)的鹽粒等等。 人為因素主要人類活動和工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的煙粒和粉塵等。 它們大多集中在大氣的底層。其分布隨著時間、 地區(qū)和天氣條件的變化而變化。 一般, 在近地面大氣中, 陸上多于海上, 城市多于鄉(xiāng)村, 冬季多于夏季。液體微粒是指懸浮在大氣中的水滴、 過冷水滴和冰晶等水汽凝結(jié)物。 它們和固體顆粒都可以吸收一部分太陽輻射和阻擋地面放熱。 它們可以阻礙視線,降低能見度、 污染空氣, 影響人類活動和危害人類健康。 但是, 它對云霧降雨卻起著重要作用, 它是水汽凝結(jié)的核心。 沒有它, 即使大氣環(huán)境已達到飽和狀態(tài), 水汽還是不能凝結(jié)成云霧。 人工降雨, 就是利用了上述原理, 把碘化銀撒入云中, 就會促使過冷水滴凍結(jié), 產(chǎn)生局部降雨。 碘化銀的作用就類似于懸浮顆粒, 它提高了水滴凍結(jié)的溫度, 在降水中起了催化作用。
