隨著地球本身及其大氣層的演進(jìn)，地球質(zhì)量逐漸增加，大氣層逐漸增厚，來自宇宙空間和人類產(chǎn)生的溫室氣體難以逃逸，致使溫室效應(yīng)增強(qiáng)，這也是全球氣候變化的一個(gè)重要原因。大氣層的形成與演化

全球氣候變化通常與地球大氣層的變化和演進(jìn)緊密相關(guān)，所以研究全球氣候變化應(yīng)該從大氣層的形成與演進(jìn)著手。

地球大氣層是地球形成和演化的產(chǎn)物，其演化大致經(jīng)歷了原始大氣、次生大氣和現(xiàn)在大氣三個(gè)階段。

1、原始大氣

Z初，在地球形成的過程中，地球一邊繞著太陽旋轉(zhuǎn)，一邊吸附著軌道附近的微塵和氣體，使地球質(zhì)量逐漸增大，大氣層逐漸增厚，并在星子的撞擊或自轉(zhuǎn)不斷加速的原太陽的萬有引力的拖曳下漸漸地遠(yuǎn)離原太陽。

隨著地球質(zhì)量和體積的不斷增加，地球內(nèi)部的熱能不斷積聚，包括地球高速公轉(zhuǎn)引起的氣流摩擦產(chǎn)生的熱能，地球自身引力收縮過程產(chǎn)生的熱能，原始地球內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能。正是由于地球原始熱能積聚到一定程度，才使原始地球物質(zhì)發(fā)生了熔融分異，形成了地球的不同圈層：地核、地幔和地殼。

當(dāng)?shù)厍蜻h(yuǎn)離太陽足夠距離時(shí)，地球公轉(zhuǎn)速度變慢，地球降溫，地球周圍形成了越來越厚的大氣層。隨著大氣層中水汽的增加，地球上空時(shí)常成云作雨，降落到地面的雨水又使地球表面逐漸冷卻。當(dāng)?shù)厍虮砻胬淠秊楣虘B(tài)時(shí)，周圍就包圍著一層濃密的大氣，這就是原始大氣，其主要成分是氫、氦、水汽和二氧化碳，正如金星裹著一層濃密的二氧化碳那樣。

2、次生大氣

隨著地球水圈的形成，地球表面受到冰水的侵蝕越來越嚴(yán)重，許多地方地殼破裂，當(dāng)水進(jìn)入地幔與熾熱的巖漿接觸時(shí)，水分立即氣化，產(chǎn)生猛烈的火山噴發(fā)。

在地球內(nèi)部長(zhǎng)期形成的氣體，通過火山活動(dòng)排出地表，形成了地球的次生大氣圈，主要為水汽、二氧化碳、甲烷、氨和氫。但次生大氣缺乏氧，這是因?yàn)榈貧ふ{(diào)整剛開始，地表金屬尚多，氧容易和金屬元素化合而不能在大氣中久留，因此次生大氣屬于缺氧性還原大氣。

3、現(xiàn)在大氣

隨著太陽向地球表面的不斷輻射，太陽遠(yuǎn)紫外線能將次生大氣中的水汽分解為氫、氧兩種元素。隨著氧的增加就在高空中形成了臭氧層，它能吸收紫外線，有利于地球上的植物迅速繁殖和生長(zhǎng)，綠色植物的光合作用又為地球大氣增加了許多氧氣。

另外，次生大氣中的氨和氧起化學(xué)作用產(chǎn)生了氮，甲烷和氧起化學(xué)作用產(chǎn)生了二氧化碳。經(jīng)過幾十億年的過程就形成了現(xiàn)在的大氣層，其中主要有：氮?dú)庹?8.1%，氧氣占20.9%，氫氣占0.93%，還有少量的二氧化碳、稀有氣體(氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣氡氣)和水蒸汽。

大氣層分層

隨著地球質(zhì)量的增加，大氣層還在逐漸增厚。整個(gè)大氣層隨高度的不同表現(xiàn)出不同的特點(diǎn),可分為對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和散逸層,再上面就是星際空間。

這五個(gè)層次的形成主要同太陽輻射進(jìn)入大氣后產(chǎn)生的熱效應(yīng)緊密相關(guān)。波長(zhǎng)為0.1～0.2微米的太陽強(qiáng)烈紫外輻射，能使距地表約85公里以上的分子氧光解，形成原子氧。原子氧擴(kuò)散到200公里以上的高空，在波長(zhǎng)短于0.1微米的紫外輻射作用下，形成了離子，并與自由氧分子交換電子，并放出大量熱能。另外，氧離子還與氮分子作用，形成氧化氮離子，而氧化氮離子可與電子復(fù)合，分子氧離子也可以與電子復(fù)合，在這些過程中都放熱。

由于在300公里或以上的高空，大氣分子稀少，上述三種放熱過程的綜合作用，就使高空溫度升得很高，達(dá)1500℃以上。這樣從85公里到約250～500公里高度，溫度隨高度的增加而，形成了暖層。在500公里以上，因大氣中性分子可逸向太空，故稱為散逸層。

波長(zhǎng)0.1～0.2微米的太陽輻射在距地表85公里以下的大氣中，仍能對(duì)氧分子起光解作用并形成氧原子。氧原子十分活躍，很易和氧分子結(jié)合，組成臭氧。但這種臭氧所含有的多余能量使臭氧易于分解。但如有第三體M參與碰撞，就可將多余能量帶走，使臭氧的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定下來。

在距地表85公里以上，空氣較稀，原子氧和分子氧結(jié)合時(shí)缺乏第三體M的碰撞，難以形成穩(wěn)定的臭氧。在距地表85公里以下的空間，空氣較密，易于發(fā)生第三體碰撞，有利于臭氧的穩(wěn)定。有了臭氧后會(huì)發(fā)生下列兩個(gè)放熱過程：

這就使距地表約50公里處出現(xiàn)高溫。50～85公里的高度范圍內(nèi)形成一個(gè)溫度隨高度增加而遞減的區(qū)域，稱為中間層。通過高層大氣而能到達(dá)地面的太陽輻射，其波長(zhǎng)大于0.3微米。它在低空僅能起到照明和使地面加熱的作用。

地面高溫和50公里高度的高溫之間為相對(duì)的低溫。地面向上到約12公里處大體上溫度隨高度而遞減，形成了對(duì)流層。相對(duì)Z低溫的大氣層距地表約12公里，這即為對(duì)流層頂。在12公里和50公里高度之間，氣溫隨高度而升高，形成了平流層。大氣層的變化揭示全球氣候變化的原因

早在17世紀(jì)，牛頓就提出了如下設(shè)想：散布于空間中的彌漫物質(zhì)可以在引力作用下凝聚成衛(wèi)星、行星和恒星。經(jīng)過歷代天文學(xué)家、物理學(xué)家及其他科學(xué)家的努力，該設(shè)想已逐步發(fā)展成為一個(gè)非常成熟的星球形成理論。

根據(jù)這一理論，人們普遍認(rèn)識(shí)到：星云物質(zhì)先凝聚成大大小小的星子，星子再凝聚成衛(wèi)星或行星。在行星的成長(zhǎng)過程中，它們不斷吸積軌道附近的物質(zhì)而變得越來越大，并在星子的撞擊或自轉(zhuǎn)逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳下漸漸地遠(yuǎn)離母星。

伴隨著太陽在繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的過程中不斷地捕獲和焚燒各種大小的天體及其他宇宙物質(zhì)并產(chǎn)生大量宇宙塵埃和氣體的同時(shí)，地球也在不斷地吸積宇宙空間的塵埃、氣體、彗星、隕石等物質(zhì)。由于地球富含水分，容易吸積和凝固宇宙物質(zhì)，使自身質(zhì)量不斷增長(zhǎng)。

據(jù)估算，地球現(xiàn)有質(zhì)量5.977×1024kg，且以每年4萬噸的速度增大。還有學(xué)者從廣義相對(duì)論的基本原理出發(fā)，證明各大天體在不斷增大，地球每年也增加一萬二千億噸，膨脹0.45mm。隨著地球成長(zhǎng)為龐大的行星，地球周圍形成了越來越厚的大氣層。據(jù)估算，現(xiàn)在地球擁有數(shù)千公里的大氣層，氣體密度隨著離地面高度的增加而變得越來越稀薄。探空火箭在3000公里高空仍發(fā)現(xiàn)有稀薄大氣。

事實(shí)上，地球大氣層的形成是地球與大氣粒子(分子、原子和塵埃顆粒)之間的萬有引力作用的結(jié)果。根據(jù)萬有引力定律：任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們質(zhì)量的乘積乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)組成及其間介質(zhì)種類無關(guān)。假設(shè)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為m1和m2,其間距離是r，則該兩質(zhì)點(diǎn)的萬有引力：

另外，根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可知，當(dāng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)繞地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由地球與該質(zhì)點(diǎn)的萬有引力提供。假設(shè)地球半徑為R(=637004m)，質(zhì)量為M，距地面高度為h，質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度為v，則有：

即不論質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量如何，它都可以線速度v，在距離地心為R+h的軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。如下圖所示：

由此可以得出如下結(jié)論：

(1)任意一個(gè)大氣粒子都可以線速度√[GM/(R+h)]繞距離地心R+h的圓形軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。距離地心R+h的球面上有很多大氣粒子以線速度√[GM/(R+h)]做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)薄薄的大氣包圍層。

(2)當(dāng)大氣粒子的線速度小于√[GM/(R+h)]時(shí)，它向地面下沉;僅當(dāng)大氣粒子的線速度大于√[GM/(R+h)]時(shí)，它可逃離半徑為R+h的球面，向高處運(yùn)動(dòng)。

(3)當(dāng)?shù)厍蛸|(zhì)量增加時(shí)，半徑為R+h的球面上可捕獲速度更快的大氣粒子。原來運(yùn)行在該軌道上的大氣粒子因速度落后而向地面下沉，使下層氣體密度增加。

(4)對(duì)流層中上升的粒子因受到上面多層次高速粒子流的撞擊而下沉，形成對(duì)流。當(dāng)?shù)厍蛸|(zhì)量增加時(shí)，上面各層許多粒子下沉到對(duì)流層，逃不出去，使對(duì)流層氣體密度增加，氣溫上升。

(5)隨著地球質(zhì)量的增加，大氣層可以吸收更多的來自宇宙空間和人類生產(chǎn)的溫室氣體，使大氣密度增加，溫室效應(yīng)加重。

下表是不同高度的環(huán)球軌道可捕獲的粒子的線速度極限。對(duì)于半徑為R+h的圓形軌道來說，低于該軌道線速度的粒子將下沉，常被圍困在半徑為R+h的球面大氣圈內(nèi)。

全球氣候變化通常與地球大氣層的變化和演進(jìn)緊密相關(guān)，所以研究全球氣候變化應(yīng)該從大氣層的形成與演進(jìn)著手。根據(jù)宇宙星系的形成和演進(jìn)規(guī)律可知，地球的質(zhì)量在逐漸增加，地球大氣層也在逐漸增厚。隨著地球質(zhì)量的增加，大氣層可以吸收更多的來自宇宙空間和人類生產(chǎn)的溫室氣體，使大氣密度增加，溫室效應(yīng)加重。這是全球氣候變化的主要原因。

2018-08-10 2056次 熱門標(biāo)簽：