大氣層與大氣壓的變化

　　一
　　地球周圍包圍著一層厚厚的空氣，叫大氣層或大氣，大氣層又叫大氣圈，地球就被這一層很厚的大氣層包圍著。大氣層的成分主要有氮?dú)猓?8．1％；氧氣，占20．9％；氫氣，占0．93％；還有少量的二氧化碳、氦氣、氖氣、氪氣、氙氣和水蒸氣。大氣層的空氣密度隨高度而減小，越高空氣越稀薄。大氣層的厚度大約在1000千米以上，但沒有明顯的界限。
　　整個(gè)大氣層隨高度不同表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，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。
　　對(duì)流層在大氣層的最底層，緊靠地球表面，其厚度為10—20千米。對(duì)流層的大氣受地球影響較大，云、霧、雨等現(xiàn)象都發(fā)生在這一層內(nèi)，水蒸氣也幾乎都在這一層內(nèi)存在。這一層的氣溫隨高度的增加而降低，大約每升高1000米，溫度下降5—6℃。動(dòng)、植物的生存，人類的絕大部分活動(dòng)，也在這一層內(nèi)。因?yàn)檫@一層的空氣對(duì)流很明顯，故稱對(duì)流層。
　　對(duì)流層以上是平流層，大約距地球表面20—50千米。平流層的空氣比較穩(wěn)定，大氣是平穩(wěn)流動(dòng)的，故稱為平流層。在平流層內(nèi)水蒸氣和塵埃很少，并且在30千米以下是同溫層，其溫度在－55℃左右。
　　平流層以上是中間層，距地球表面50—85千米。這里的空氣很稀薄，突出的特征是氣溫隨高度增加而迅速降低，空氣的垂直對(duì)流強(qiáng)烈。
　　中間層以上是暖層，距地球表面100—800千米。暖層最突出的特征是當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)光中的紫外線被該層中的氧原子大量吸收，因此溫度升高，故稱暖層。
　　散逸層在暖層之上，由帶電粒子所組成。
　　除此之外，還有兩個(gè)特殊的層，即臭氧層和電離層。
　　臭氧層距地面20—30千米，實(shí)際介于對(duì)流層和平流層之間。這一層主要是由于氧分子受太陽(yáng)光的紫外線的光化作用造成的，使氧分子變成了臭氧。
　　電離層很厚，大約距地球表面80千米以上。電離層是高空中的氣體被太陽(yáng)光的紫外線照射，電離成帶電荷的正離子和負(fù)離子及部分自由電子形成的。電離層對(duì)電磁波影響很大，我們可以利用電磁短波能被電離層反射回地面的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)電磁波的遠(yuǎn)距離通訊。
　　二
　　大氣對(duì)浸在它里面的物體產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫大氣壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱大氣壓或氣壓。大氣壓是初中物理教學(xué)中一個(gè)重要的物理概念。大氣壓產(chǎn)生的原因是空氣也像液體那樣受到重力作用，它的主要特點(diǎn)是:因?yàn)榭諝饩哂辛鲃?dòng)性，所以大氣內(nèi)部向各個(gè)方向都有壓強(qiáng)。在同一位置，大氣向各個(gè)方向的壓強(qiáng)也相等。在不同的季節(jié)，不同的氣候條件和地理位置等條件下，地球上方大氣壓的值有所不同。
　　1.大氣壓隨地勢(shì)高低的變化
　　從微觀角度看，決定氣體壓強(qiáng)大小的因素主要有兩點(diǎn)：一是氣體的密度ρ；二是氣體的熱力學(xué)溫度T。在地球表面隨地勢(shì)的升高，地球?qū)Υ髿鈱託怏w分子的引力逐漸減小，空氣分子的密度減小，同時(shí)大氣的溫度也降低。所以在地球表面，隨地勢(shì)高度的增加，大氣壓的數(shù)值是逐漸減小的。在2千米以下，大氣壓值可近似認(rèn)為隨地理高度的增加而線性減小；在2千米以上，大氣壓值隨地理高度的增加而減小漸緩。所以過去在初中物理教材中有介紹：在海拔2千米以下，可以近似地認(rèn)為每升高12米，大氣壓降低1毫米汞柱。
　　2.大氣壓隨地理緯度的變化
　　地球表面大氣層里的成分，變化比較大的就是水汽。人們把含水汽比較多的空氣叫“濕空氣”，把含水汽較少的空氣叫“干空氣”。有些人直覺地認(rèn)為濕空氣比干空氣重，這是不正確的。干空氣的平均分子量為28.966，而水氣的分子量只有18.106，所以含有較多水汽的濕空氣的密度要比干空氣小。即在相同的物理?xiàng)l件下，干空氣的壓強(qiáng)比濕空氣的壓強(qiáng)大。
　　在地球表面，由赤道到兩極，隨地理緯度的增加，一方面由于地球的自轉(zhuǎn)和極地半徑的減小，地球?qū)Υ髿獾奈χ饾u增大，空氣密度增大，另一方面由于兩極地區(qū)溫度較低，空氣中的水汽較少，可近似看成干空氣，因此由赤道向兩極，隨地理緯度增加，大氣壓總的變化規(guī)律是逐漸增大(因氣候等因素影響，局部某處的大氣壓值變化可能不遵循這一規(guī)律)。
　　3.大氣壓的日變化
　　對(duì)于同一地區(qū)，在一天之內(nèi)的不同時(shí)間，地面的大氣壓值也會(huì)有所不同，這叫大氣壓的日變化。一天中，地球表面的大氣壓有一個(gè)最高值和一個(gè)最低值。最高值出現(xiàn)在9∶00—10∶00時(shí)。最低值出現(xiàn)在15∶00—16∶00時(shí)。引起大氣壓日變化的原因主要有三點(diǎn)：一是大氣的運(yùn)動(dòng)；二是大氣溫度的變化；三是大氣濕度的變化。
　　日出以后，地面開始積累熱量，同時(shí)地面將部分熱量輸送給大氣，大氣也不斷地積累熱量，其溫度升高，濕度增大。當(dāng)溫度升高后，大氣逐漸向高空做上升輻散運(yùn)動(dòng)，在下午15∶00—16∶00時(shí)，大氣上升輻散運(yùn)動(dòng)的速度達(dá)最大值，同時(shí)大氣的濕度也達(dá)較大值，由于此二因素的影響，導(dǎo)致一天中此時(shí)的大氣壓最低。16∶00以后，大氣溫度逐漸降低，其濕度減小，向上的輻散運(yùn)動(dòng)減弱，大氣壓值開始升高；進(jìn)入夜晚；大氣變冷，開始向地面輻合下降，在9∶00—10∶00時(shí)，大氣輻合下降壓縮到最低限度，空氣密度最大，此時(shí)的大氣壓是一天中的最高值。
　　4.大氣壓的年變化
　　同一地區(qū)，在一年之中的不同時(shí)間其大氣壓的值也有所不同。這叫大氣壓的年變化。大氣壓的年變化，具體又分為三種類型，即大陸型、海洋型和高山型。其中海洋型大氣壓的年變化剛好與大陸型的相反。通常所說的“冬天的大氣壓比夏天高”，指的就是大陸型大氣壓的年變化規(guī)律。下面對(duì)此略作分析(另外兩種情況不作討論)。
　　由于大氣處于地球周圍一個(gè)開放沒有具體疆界的空間之內(nèi)，這就使它與密閉容器中的氣體有著很多區(qū)別。夏天，大陸中的氣溫比海洋上高，大氣的濕度也比較大(相對(duì)冬天而言)，這樣大陸上的空氣不斷向海洋上擴(kuò)散，因而其壓強(qiáng)減小。到了冬天，大陸上氣溫比海洋上低，大陸上的空氣濕度也較夏天小，這樣海洋上的空氣就向大陸上擴(kuò)散，使大陸上的氣壓升高。這就是大陸上冬天的大氣壓比夏天高的原因(大氣溫度也是影響大氣壓的一個(gè)因素，但在這里決定大氣壓變化的因素不是氣溫，而是大氣的流動(dòng)和密度)。
　　5.大氣壓隨氣候的變化
　　大氣壓隨氣候變化的情況比較多，但最為典型的就是晴天與陰天大氣壓的變化。有句諺語(yǔ)：“晴天的大氣壓比陰天高。”反映的就是大氣壓的這一變化規(guī)律。
　　通常情況下，地面不斷地向大氣中進(jìn)行長(zhǎng)波有效輻射，同時(shí)大氣也在不斷地向地面進(jìn)行逆輻射。晴天，地面的熱量可以較為通暢地通過有效輻射和對(duì)流氣層的向上輻散運(yùn)動(dòng)向外輸運(yùn)。陰天時(shí)，云層減少了對(duì)流層大氣向外的輻散運(yùn)動(dòng)。云層這種保存地表和對(duì)液層熱量的作用稱為“溫室效應(yīng)”。這樣，陰天地區(qū)的大氣膨脹就比較厲害，從而導(dǎo)致陰天地區(qū)的大氣橫向向外擴(kuò)散，使空氣的密度減小，同時(shí)陰天地區(qū)大氣的濕度比較大，也使大氣的密度減小。因?yàn)檫@兩個(gè)因素的影響，所以陰天的大氣壓比晴天的大氣壓低。