地球的力量——大氣

科學(xué)世界

人類居住的星球之所以與其它星體不一樣，是因?yàn)榈厍蛴幸粚营?dú)特的大氣圈的保護(hù)。大氣給地球帶來(lái)了季節(jié)的變化，使地球變得更加美麗。大氣層究竟是怎樣的呢？

我們的行星—— 地球，是一個(gè)神奇的千變?nèi)f化的世界，充滿著各種自然奇觀。但是地球本身還有比自然景觀更為奇特的東西。

我們要了解的是大氣。大氣氣勢(shì)磅礴，變化無(wú)常。它極具破壞性，同時(shí)又保護(hù)著我們。它對(duì)所有的生命來(lái)說(shuō)很重要，但它也是由生命所創(chuàng)造的。

但是現(xiàn)在大氣層正在發(fā)生著變化，有可能導(dǎo)致致命的后果。真正了解大氣變得迫在眉睫。

大氣是由氮、氧以及二氧化碳等氣體組合成的混合體，它保護(hù)著我們不受宇宙間極低溫真空的侵襲。大氣由四個(gè)主要的大氣層組成。為了去探尋大氣層，就需要一種特殊的交通工具——一架可以飛得很高的飛機(jī)。這是一架典型的高速軍用噴氣機(jī)，19世紀(jì)60年代，一直用于高空飛行（圖1）。

（1）探尋大氣層的噴氣飛機(jī)

大氣層的最底層是我們比較熟悉的，稱為對(duì)流層。對(duì)流層大約有10多千米 ，我們就生活在其中。對(duì)流層是大氣中最稠密的一層。這里集中了大氣中的大部分水氣，可以說(shuō)是展示風(fēng)云變幻的“大舞臺(tái)”:刮風(fēng)、下雨、降雪、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷電等都是發(fā)生在對(duì)流層內(nèi)。它是充滿暖濕氣體的氣層，富含氧氣，對(duì)地球上的生命至關(guān)重要。但它又很不穩(wěn)定，天有不測(cè)風(fēng)云，說(shuō)的就是這里的情況。

這架飛機(jī)能在幾分鐘之內(nèi)穿過(guò)薄薄的對(duì)流層。

在大約12千米的高空，我們所處的地方，大氣壓只有地面的18%。到了13千米高的時(shí)候，飛機(jī)會(huì)穿過(guò)大氣層無(wú)形的分界面。穿越對(duì)流層，進(jìn)入平流層（圖2）。一個(gè)完全不同的地方。這兒的大氣很穩(wěn)定并且非常干燥，所以這里幾乎沒(méi)有天氣的變化，平流層是臭氧層的家，臭氧可以削弱到達(dá)地球的來(lái)自太陽(yáng)的致命的輻射。

（2）飛機(jī)穿過(guò)對(duì)流層進(jìn)入了平流層

飛機(jī)現(xiàn)在到了15千米的高空，高度約是珠穆朗瑪峰的2倍。幾乎組成大氣的氣體的90%都在下面了。這已經(jīng)是這架飛機(jī)能達(dá)到的高度極限了。剩下的10%大氣隨著向宇宙延伸越來(lái)越少，直到從這兒往上85千米的太空。

1960年8月16日，在人類踏上月球之前很長(zhǎng)時(shí)間，飛行員喬·基辛格獨(dú)自一人到太空的邊緣旅行了一次。他不是乘坐火箭，而是利用一個(gè)很大的氮?dú)馇颍竭_(dá)了34千米的高空，他的高度達(dá)到了平流層上部，是我們這架飛機(jī)到達(dá)高度的2 倍。然后基辛格做了非常令人驚訝的事情，他跳了下來(lái)。

他落到了地球上。速度達(dá)到了1000千米每小時(shí)，但是他幾乎什么都感覺(jué)不到。

基辛格:我的耐壓服上的布沒(méi)有褶皺，這是一種超自然的感覺(jué)，我看不到任何可作為參照的東西，所以我覺(jué)得像是停留在太空里。

只是當(dāng)他返回到對(duì)流層大氣層的時(shí)候，他感覺(jué)到震耳欲聾，但是從他旁邊飛馳而過(guò)的空氣的轟鳴聲消除了他的顧慮。

最后 他打開(kāi)了降落傘，這是歷史上最高的自由落體。基辛格跳下來(lái)僅僅15分鐘就到達(dá)了地面。從高達(dá)30千米的地方降落，基辛格經(jīng)過(guò)了組成大氣層的99%的氣體。

基辛格:15分鐘前我還在宇宙的邊緣，現(xiàn)在 我覺(jué)得那是在伊甸園。我們真的沒(méi)有認(rèn)識(shí)到，我們擁有多么美麗的星球。

盡管基辛格從高達(dá)平流層上部的地方跳下來(lái)，他仍然沒(méi)有到達(dá)我們大氣層的最遠(yuǎn)的邊界。上面還有兩種保護(hù)性的大氣層，它們?nèi)绱讼”?幾乎不存在，但是對(duì)我們的星球，甚至對(duì)于我們來(lái)說(shuō)都重要無(wú)比。

對(duì)流層的外邊大概50千米左右，是第三個(gè)大氣層——中間層，這是一個(gè)使我們免受隕石傷害的大氣層（圖3）。當(dāng)我們看到流星的時(shí)候，那實(shí)際上是一顆隕石在大氣層的高處燃燒。大部分流星都在中間層里燃燒殆盡。

（3）中間層是讓地球免受隕石傷害的第三層大氣層

中間層也是一種夜光云的奇怪現(xiàn)象的根源（圖4）。它們是稀薄的纖細(xì)的云，在夏天地球的高緯度地區(qū)出現(xiàn)。只有在日落時(shí)被太陽(yáng)從下面照的時(shí)候，才可以看得到。

（4）美麗奇特的夜光云

最后 從85千米處開(kāi)始，是第四個(gè)氣層—— 熱層。之所以這么命名，是因?yàn)檫@里的溫度可達(dá)上千度。這兒的大氣如此稀薄，以至于100千米以外就可以肯定地認(rèn)為是宇宙的開(kāi)始（圖5）。也是在這之外，致命的太陽(yáng)風(fēng)被地球的磁場(chǎng)攔截，并使之轉(zhuǎn)向了磁極，從而創(chuàng)造了極光，大自然最偉大的奇觀之一（圖6）。

（5）航天飛機(jī)在第四氣層——熱層繞地球飛行

（6）大自然的偉大奇觀之一：極光

大氣的所有四個(gè)層都對(duì)生命至關(guān)重要。

如果把地球表面的大氣層展開(kāi)，并把它變成一個(gè)球，你就會(huì)看到，大氣層的體積，只是地球的5%，但是如果沒(méi)有它，地球只會(huì)是另一個(gè)荒涼的星球。我們這些生命所居住的對(duì)流層只是一個(gè)10千米厚的窄帶，是一條很細(xì)的圍繞我們星球的線。它是生命必須的、不同的氣體的混合物，影響著我們?nèi)粘Ｉ睢Ｋ侨绱舜嗳酰灾劣谖覀兌伎梢愿淖兯?/p>

要想了解我們所居住的對(duì)流層，就不能把大氣層只看作氣體，也應(yīng)該把它當(dāng)作液體來(lái)看。實(shí)際上 我們生活在大氣的海洋中，就像在水中一樣。大氣層的海洋甚至有自己巨大的漩渦：龍卷風(fēng)（圖７）。

（７）威力巨大的龍卷風(fēng)

對(duì)流層甚至有波浪。澳大利亞昆士蘭的一種云實(shí)際上是世界上最大的波浪，它可以達(dá)到2000米高。當(dāng)暖濕的海洋氣團(tuán)到達(dá)綿長(zhǎng)的并且是直的海岸線時(shí)，被迫在大陸的邊緣上升，當(dāng)空氣冷卻下來(lái)時(shí)便形成云，然后在陸地上以每小時(shí)40千米的速度翻滾（圖８）。這種云就是我們頭上大氣海洋的直接證據(jù)。像任何一種液體一樣，大氣層也有重量。每平方厘米上的壓力有1000克。

（８）世界上最大的波浪云

我們沒(méi)有被壓毀，甚至感受不到這壓力的唯一原因，是我們身體里的空氣的壓力和外界的壓力達(dá)到了平衡。我們像在海底行走的龍蝦，對(duì)上面的液體的重量可以毫不在意，那是因?yàn)槲覀円呀?jīng)適應(yīng)了。如果你仍然懷疑大氣層有液體的性質(zhì)，可以告訴你有些人甚至可以在上面沖浪。

無(wú)可否認(rèn)這與傳統(tǒng)意義上的沖浪相比，有點(diǎn)挑戰(zhàn)性，這就是為什么只能讓特洛伊·哈特曼這樣的專家來(lái)嘗試的原因。

特洛伊·哈特曼:現(xiàn)在空氣是流體的，我確實(shí)正站在它的表面。

特洛伊·哈特曼不只是在大氣中垂直地下降，也可以水平地移動(dòng)，天空是他的海洋（圖９）。

（９）在天空中沖浪

一旦你接受了大氣是液體的觀點(diǎn)，你就會(huì)意識(shí)到地球的大氣層為什么能夠塑造我們的星球表面的外形，甚至可以切割固體的巖石。

美國(guó)亞利桑那州的一些巖石被稱為波浪，原因是顯而易見(jiàn)的。這些巨大的曲線形狀，看起來(lái)像是被水雕刻過(guò)（圖10），然而它們是由一種不同的流體的運(yùn)動(dòng)——風(fēng)雕塑的。

（10）風(fēng)是大自然的雕塑家

這只是展示了我們周圍空氣的基本力量，它在不停地工作，不停地塑造陸地。它們可以塑造出巨大的山脊，被稱作風(fēng)蝕土脊（圖11）。

（11）風(fēng)所塑造的巨大山脊

風(fēng)的沖刷不僅僅是塑造地形。當(dāng)風(fēng)吹過(guò)撒哈拉大沙漠的時(shí)候，蘊(yùn)含豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和礦物質(zhì)的沙粒和粉塵，被揚(yáng)到空氣中并被吹向大西洋，大部分落進(jìn)了海洋。但還有一些被風(fēng)帶到了大西洋的彼岸，到了南美的亞馬孫雨林。實(shí)際上，每年都有4000萬(wàn)噸粉塵被風(fēng)從撒哈拉大沙漠帶到亞馬孫雨林。在這兒雨水把大氣中的粉塵沖刷到雨林中，這是維持雨林正常生長(zhǎng)的重要的營(yíng)養(yǎng)源。

通過(guò)這種方式，不斷翻卷的大氣層對(duì)地球上生命的循環(huán)起著重要的作用。

我們周圍不斷翻騰的空氣，以另外一種更直接的方式對(duì)我們的星球的運(yùn)轉(zhuǎn)起著作用，它創(chuàng)造了天氣。所有天氣的核心因素都是熱量。所有的天氣，從和緩的微風(fēng)到猛烈的暴風(fēng)雨，都是大氣熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。這種大氣熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)模是全球性的。云是由從海洋和大陸上蒸發(fā)的水分產(chǎn)生的。

天氣的形式是復(fù)雜并且多變的，這是由于大氣層和陸地海洋，甚至冰川相互作用的結(jié)果。這些在南美洲表現(xiàn)得很典型。

在阿根廷有世界上最猛烈的暴風(fēng)雨。科學(xué)家們是通過(guò)統(tǒng)計(jì)每年發(fā)生閃電的次數(shù)，來(lái)確定哪兒是世界上暴風(fēng)雨最猛烈的地方。這個(gè)地方位列榜首。

這里有醞釀一場(chǎng)風(fēng)暴的所有條件。這里的地形是兩種強(qiáng)大力量互相競(jìng)技的完美舞臺(tái)，它們有截然不同的性質(zhì)：一種是暖濕，一種是干冷。從亞馬孫盆地過(guò)來(lái)的空氣又暖又濕，富含水氣。它與來(lái)自南極的冷空氣迎頭相撞，暖濕氣流急劇抬升，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的雷暴。冷暖氣流產(chǎn)生的沖突是風(fēng)暴的核心原因。但是這里的風(fēng)暴異常猛烈，還有地形上的原因。

這里有安第斯山脈，地理狀況是促進(jìn)雷暴形成的重要因素。兩種氣團(tuán)碰撞交鋒的同時(shí)，暖空氣又被山脈抬升，于是形成了地球上最強(qiáng)烈的雷暴。

閃電是空氣團(tuán)相互作用的結(jié)果。在產(chǎn)生暴風(fēng)云的同時(shí)，濕氣上升時(shí)冷卻的小水珠凝固，一些變成了小的冰晶，一些變成了大一點(diǎn)的冰塊。兩種不同的冰相互碰撞產(chǎn)生了電，達(dá)到了一定程度以后產(chǎn)生了電場(chǎng)，接下來(lái)就會(huì)和地面接觸。

雷電在大氣層中越高就越難以琢磨，越壯觀（圖12）。

（12）閃電是空氣團(tuán)相互作用的結(jié)果

大氣的力量塑造了地球，創(chuàng)造了天氣。大氣在地球歷史上發(fā)生過(guò)什么變化，大氣與生命的關(guān)系又如何呢？

45億年前，地球剛形成不久大氣圈就形成了。早期地球充滿火山，億萬(wàn)年中，這些火山噴發(fā)出大量氣體，這些氣體緩慢聚合創(chuàng)造了大氣層。不過(guò)，那時(shí)的大氣層不像我們今天的大氣層，它是二氧化碳、甲烷和有毒的硫化氫蒸汽聚合在一起的不折不扣的毒氣。這些致命的混合物，孕育某些東西長(zhǎng)達(dá)20億年。

想知道原始生命是如何改變大氣的嗎？這需要前往一個(gè)地球上極少有的能找到原始生命的地方。

這就是西澳大利亞“鯊魚灣”。這里的海里布滿層疊石，某種意義上來(lái)說(shuō)，它們?cè)?jīng)是最成功的生命。遙遙領(lǐng)先于隨后出現(xiàn)的人類、猛瑪、哺乳動(dòng)物和所有與后者類似的生物。

層疊石40億年前出現(xiàn)，它們是最簡(jiǎn)單的生命形式之一的細(xì)菌，這些細(xì)菌作了一件石破天驚的事情，它們吸收陽(yáng)光的能量，進(jìn)行光合作用，分解水的化學(xué)鍵，產(chǎn)生了徹底改變地球面貌的東西——氧氣。它們是最早的產(chǎn)生氧氣的生命，而且是大量的。大概25億年前，遍布世界各地淺海的層疊石，導(dǎo)致了地球歷史上一次天翻地覆的巨變，最終，我們的星球有了富含氧氣的大氣層。

那時(shí)候 海水里溶解了大量鐵。當(dāng)疊層石生成的氧氣遇到鐵，產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的鐵氧化物，也就是鐵銹。鐵銹不斷在洋底堆積，一層又一層地累積，結(jié)果產(chǎn)生了巨大厚重的巖石。

大約20億年前，海洋中所有的鐵都變成了鐵銹，沒(méi)有什么再能和氧氣反應(yīng)。氧氣只能去一個(gè)地方，離開(kāi)海洋進(jìn)入大氣層。氧氣做的第一件事是進(jìn)入平流層給地球加上了一層重要的保護(hù)罩——臭氧層。

臭氧層保護(hù)地球免受來(lái)自太陽(yáng)的致命紫外線輻射，使復(fù)雜生物能在地球表面繁榮生長(zhǎng)。這是因?yàn)檠鯕馐歉叨然钚缘模苤С直燃?xì)菌更有活力的物種。感謝富含氧氣的大氣層，地球最終變成了一個(gè)溫馨的家園，開(kāi)始適合多樣性生物的居住，同時(shí)，最重要的是有了我們?nèi)祟悺Ｒ磺械囊磺校家兄x向大氣層里釋放氧氣的層疊石。

是生命創(chuàng)造了氧氣，反過(guò)來(lái)， 氧氣戲劇性地又是生命必須的。

當(dāng)然，還有其他氣體對(duì)于我們?cè)诘厍蛏仙嬗兄匾饬x。它們來(lái)自于地球另一種極具破壞性的力量——火山。當(dāng)火山噴發(fā)時(shí)，致命但又十分重要的氣體二氧化碳產(chǎn)生了，數(shù)十億年來(lái)，二氧化碳在大氣層中扮演著“熱罩”的角色（圖13）。

（13）火山噴發(fā)所產(chǎn)生的二氧化碳對(duì)于地球的生存同樣有著重要意義

它把陽(yáng)光帶來(lái)的熱量限制在地球上，使地球能保持溫暖。沒(méi)有這層二氧化碳，地球上的溫度會(huì)降到－10℃而變成一個(gè)冰封的世界。正是因?yàn)橛辛讼穸趸歼@樣的溫室氣體，生命之花才能在地球上常盛不敗。

但是現(xiàn)在人類排放了過(guò)量的二氧化碳到空氣中，因?yàn)槿紵蓟牡V物燃料，比如：煤礦 、石油、 天然氣，使得大氣層二氧化碳濃度有所變化，導(dǎo)致整個(gè)地球的溫度也發(fā)生了改變。了解這一潛在危險(xiǎn)的線索在西伯利亞。

西伯利亞地區(qū)也許是未來(lái)遏制全球氣候變暖的關(guān)鍵。這里是地球上最遙遠(yuǎn)和寒冷的地方，多年－40℃的低溫，凍結(jié)了包括土地在內(nèi)的一切。這片冰原下的永久凍土中，隱藏著潛在的氣候?yàn)?zāi)難。那就是甲烷，它是比二氧化碳要強(qiáng)得多的溫室氣體。危險(xiǎn)在于，如果凍土因全球變暖而融化，將會(huì)釋放出大量甲烷。這種情況其實(shí)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生了。這里有湖泊，大量死掉的植物沉入湖泊底部，在湖底發(fā)酵，湖底的微生物以死掉的植物為原料，產(chǎn)生甲烷。甲烷是它們消化過(guò)程中的副產(chǎn)品，從湖底沉淀物里升起，然后被禁錮在冰里。這里的冰有1米厚，冰里面截留了大量的氣泡（圖14）。當(dāng)冰在春天融化時(shí)，氣體就會(huì)逃走。

（14）冰層里存有大量的甲烷氣泡

有一個(gè)方法可以檢測(cè)這些氣泡里到底有多少甲烷，因?yàn)榧淄槭强扇細(xì)怏w。在冰上打一個(gè)洞，就有了一道甲烷氣流，你點(diǎn)燃的時(shí)候，會(huì)有一大團(tuán)火焰（圖15）。這些氣泡滿地都是，意味著這里有大量甲烷被截留著，這是一個(gè)嚴(yán)重的隱患。如果進(jìn)入大氣層會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，全球變暖將導(dǎo)致永久凍土融化，就會(huì)生成更多的甲烷，使全球變暖加劇。

（15）甲烷是可燃?xì)怏w，一旦凍土融化，更多的甲烷進(jìn)入大氣層將使全球變暖加劇

這是一個(gè)相當(dāng)大的定時(shí)炸彈。這個(gè)寬廣的冰凍覆蓋的區(qū)域，面積超過(guò)950萬(wàn)平方公里，只比我國(guó)小一些。

如果永久凍土全部融化，會(huì)使大氣層內(nèi)甲烷總量增加10倍，肯定會(huì)加速全球變暖，但要了解確切的結(jié)果，目前沒(méi)人能給出答案。

我們今天的大氣層的形成，花費(fèi)了數(shù)十億年。這段時(shí)間里，生命和大氣層建立起了一個(gè)互相依賴的關(guān)系，現(xiàn)在我們?yōu)樯铜h(huán)繞它的大氣層之間的微妙平衡而恐懼。

對(duì)于地球，一個(gè)暖些的大氣層并無(wú)新意，但是對(duì)于我們?nèi)祟悾蠊麉s是沉重的。它讓我們處在一個(gè)容易受傷害的位置。

大氣層是所有自然力量中最變化無(wú)常的，一旦處理不好，災(zāi)難可能隨時(shí)降臨到我們的身上。請(qǐng)珍惜我們的大氣層吧。