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24 février

大气圈的结构与组成

随着工业化进程的加快,环境问题日益成为困扰人类的主要问题之一。小山仅以此文想对环境化学中的大气化学进行一些肤浅的讨论,旨在简单介绍。
    (众云:“肤浅还来贫。”话音未落,但见空中突现一板儿转,向小山急驶而来。小山也不含糊,一转身,正中后脑,扑街倒毙

    闲话少说,进入正题。我们讨论的主题是大气化学,提到大气圈(atmosphere),不免想到水圈(hydrosphere)、岩石圈(lithosphere)。此三个“圈”是息息相关的。不过他们之间的区别却十分明显,即以分子运动的角度来说:物质在大气圈中的混合速度是十分快的,而在水圈中就要慢得多,到了岩石圈就要用几百万年的时间来完成这样的混合。大气圈有如此的特点,是因为它相对于水圈、岩石圈要稀薄的多得多。

    我们关于大气圈的讨论将从以下几个方面展开:
1,大气圈的结构与组成
2,氧化学
3,同温层的臭氧

 

大气圈的结构与组成

大气圈主要由气体组成,当然其中也存在少量的固体、液体和离子,前两者主要出现在对流层,而最后一个主要出现在离地面较远(相对较稀薄)的两层中。
    气态物质中,氮气占去大半部分(78.084%),其次是氧气(20.946%),再次是氩气(0.934%),其余对大气影响较大的物质如:水(0.5-4%)、二氧化碳(360ppm)、氢气(0.5ppm)以及甲烷(1.7ppm)。

    接下来说一下大气圈的结构。可以说它是由4各部分组成的,由下至上依次是:对流层(troposphere)、平流层又称同温层(stratosphere)、中间层(mesosphere)、热层(thermosphere)。

    从地面至海拔8-14.5km都属于对流层,它是人类及生物主要活动的区域。在对道尔顿分压定律积分后,我们可以得出这样的结论:90%以上的大气圈气体集中在对流层,这也是对流层中化学反应之所以十分丰富的原因。
    所以一般的大气污染物,会在这里发生化学变化。然而潜在的威胁是,如果污染物得以升到对流层以上的大气区域的话,那么它就很有可能造成严重的危害。举例说明:臭氧问题(详见第3小节)。
    另外值得注意的是:在对流层中,随海拔高度增加,温度降低(有大约17摄氏度降至-52摄氏度)。这是由地表辐射造成的。这样的一个结果(对流层下热上冷),与我们所期望的热空气上升冷空气下降,恰好相反;也导致了对流层种气象变化丰富这一特点。(详细的解释清参考有关气象学书籍)

    接下来是平流层,我们所熟知的臭氧层便在平流层中。平流层是在对流层以上至海拔大约50km的大气圈区域。顾名思义,平流层中的气体流动十分平稳,即没有对流层的剧烈。因为,平流层中温度随高度逐渐上升(两者成斜率为正的正比),至层顶时温度可以达到约摄氏-3度。这样的温度特征是由于臭氧吸收紫外线所致。
    对流层与平流层加在一起,占有了99%的大气组分。故,剩下的两层都是十分十分稀薄的。

    太阳光中能量最高的是紫外线,而紫外线是在平流层才被臭氧所吸收,由此可知,在中间层和热层中的“气体分子”将很有可能处于其高能状态。
    中间层自平流层向上至海拔85km,温度在这里再次随高度升高而降低,终至约-93摄氏度。另外,中间层以及平流层(包括平流顶层和中间顶层)在“ATLAS Spacelab”这一计划中曾被科学家们仔细研究(具体事宜请参考有关资料)。

    热层是中间层以上至海拔约600km的区域。这里的温度(由于太阳辐射)再一次由高度增加而增加。这里的化学反应相对于地表要快许多,基本上物质都以其高能状态存在。
    热层及中间层上半区域又被称为非均质层(heterosphere),在这个区域内,大质量的物质(分子、原子)在下面,小质量的在上面;混合并不均匀。相对来说,混合较均匀的下层大气空间则被称为均质层(homosphere)。

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