隨著地球本身及其大氣層的演進，地球質量逐漸增加，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，致使溫室效應增強，這也是全球氣候變化的一個重要原因。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緊密相關，所以研究全球氣候變化應該從大氣層的形成與演進著手。

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，一邊吸附著軌道附近的微塵和氣體，使地球質量逐漸增大，大氣層逐漸增厚，并在星子的撞擊或自轉不斷加速的原太陽的萬有引力的拖曳下漸漸地遠離原太陽。

隨著地球質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)部化學反應產(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?shù)厍蜻h離太陽足夠距離時，地球公轉速度變慢，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，地球上空時常成云作雨，降落到地面的雨水又使地球表面逐漸冷卻。當?shù)厍虮砻胬淠秊楣虘B(tài)時，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重，許多地方地殼破裂，當水進入地幔與熾熱的巖漿接觸時，水分立即氣化，產(chǎn)生猛烈的火山噴發(fā)。

在地球內(nèi)部長期形成的氣體，通過火山活動排出地表，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，這是因為地殼調(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，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作用產(chǎn)生了氮，甲烷和氧起化學作用產(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：氮氣占78.1%，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

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

這五個層次的形成主要同太陽輻射進入大氣后產(chǎn)生的熱效應緊密相關。波長為0.1～0.2微米的太陽強烈紫外輻射，能使距地表約85公里以上的分子氧光解，形成原子氧。原子氧擴散到200公里以上的高空，在波長短于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合，分子氧離子也可以與電子復合，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，使臭氧的結構穩(wěn)定下來。

在距地表85公里以上，空氣較稀，原子氧和分子氧結合時缺乏第三體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。有了臭氧后會發(fā)生下列兩個放熱過程：

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地面的太陽輻射，其波長大于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，形成了對流層。相對Z低溫的大氣層距地表約12公里，這即為對流層頂。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，牛頓就提出了如下設想：散布于空間中的彌漫物質可以在引力作用下凝聚成衛(wèi)星、行星和恒星。經(jīng)過歷代天文學家、物理學家及其他科學家的努力，該設想已逐步發(fā)展成為一個非常成熟的星球形成理論。

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

伴隨著太陽在繞銀河系中心旋轉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并產(chǎn)生大量宇宙塵埃和氣體的同時，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。由于地球富含水分，容易吸積和凝固宇宙物質，使自身質量不斷增長。

據(jù)估算，地球現(xiàn)有質量5.977×1024kg，且以每年4萬噸的速度增大。還有學者從廣義相對論的基本原理出發(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果。根據(jù)萬有引力定律：任意兩個質點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，與兩物體的化學組成及其間介質種類無關。假設兩個質點的質量為m1和m2,其間距離是r，則該兩質點的萬有引力：

另外，根據(jù)勻速圓周運動的規(guī)律可知，當一個質點繞地心做勻速圓周運動時，其圓周運動的向心力由地球與該質點的萬有引力提供。假設地球半徑為R(=637004m)，質量為M，距地面高度為h，質點做圓周運動的線速度為v，則有：

即不論質點的質量如何，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動。如下圖所示：

由此可以得出如下結論：

(1)任意一個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動。距離地心R+h的球面上有很多大氣粒子以線速度√[GM/(R+h)]做勻速圓周運動，形成一個薄薄的大氣包圍層。

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

(3)當?shù)厍蛸|量增加時，半徑為R+h的球面上可捕獲速度更快的大氣粒子。原來運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，形成對流。當?shù)厍蛸|量增加時，上面各層許多粒子下沉到對流層，逃不出去，使對流層氣體密度增加，氣溫上升。

(5)隨著地球質量的增加，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緊密相關，所以研究全球氣候變化應該從大氣層的形成與演進著手。根據(jù)宇宙星系的形成和演進規(guī)律可知，地球的質量在逐漸增加，地球大氣層也在逐漸增厚。隨著地球質量的增加，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，溫室效應加重。這是全球氣候變化的主要原因。

2018-08-10 2056次 熱門標簽：