我們每天看到的太陽光,其實是已經削弱的版本。
真實的太陽輻射,對地球生物并不友好。
而我們之所以能直接接觸太陽輻射,這是地球大氣層在保護我們。
大氣對太陽輻射有吸收、反射、散射等作用。
這讓太陽輻射到地面之前,在質和量上都經過了削弱。
尤其是到達地面之前,太陽輻射中的紫外線幾乎絕迹。
上圖虛線部分是未削弱的太陽輻射,實線部分是我們接觸到的太陽光。
這裡有一個問題。
大氣無形無質,明明是透明的,是怎麼做到削弱大氣輻射的呢?
這就要從大氣的成分說起。
一、大氣的成分并不全是無形無質!地球大氣是很多種物質的混合體,是氣體、液體和固體雜質的混合體。
總的來說,大氣由幹潔空氣、水汽、懸浮塵埃和雜質組成。
這其中,幹潔空氣指除了水汽、液體和固體雜質的混合氣體,是大氣的主要成分。其主要成為有氮、氧、氩和二氧化碳。
在這些大氣成分中,各成分各司其職。
比如大氣中的水汽、臭氧和液态水能夠直接吸收太陽輻射,而氧氣和氮氣對太陽輻射的吸收微乎其微。
二氧化碳雖然很少直接吸收太陽輻射,但是它能吸收被地面反射的太陽輻射。
平流層以上的臭氧和氧氣能強烈吸收紫外線,而近地面水汽能吸收紅外線。
此外,空氣中懸浮的微粒和雲層對太陽光的反射和散射有重要作用。
比如雲層達到50-100m時,太陽輻射會被全部反射,地球氣溫将會下降。
這在現實生活中可以找到佐證。
1815年,印尼坦博拉火山噴發。
這場被評估為近萬年來最強烈的火山噴發事件不僅導緻超過10萬人喪生,漂浮的空氣塵埃還讓第二年的全球氣候約下降了0.4℃至0.7℃,亞歐美洲多地在6月至8月出現霜凍、降雪,導緻糧食大幅度減産。
可以說這是火山爆發引起的“核冬天”。
二、地球大氣不僅僅隻有削弱太陽輻射這一項功能
削弱太陽輻射,可以說是大氣的一個小功能。
大氣最突出的作用是保溫,大氣和地球地面相互保住,形成了地-氣系統,運轉和保護太陽輻射所帶的能量。
這也是為什麼其他星球的表面溫度可以白天427℃,晚上-173℃(水星),而地球的氣溫能保持适合穩定溫度的原因。
太陽輻射是地球表面能量的唯一來源,如果想要留住這些能量,就需要大氣和地表的完美配合。
其實,大氣隻能吸收18%的太陽輻射,這主要還要大氣歸功臭氧、水汽和液态水(大氣直接吸收太陽輻射)。
這時候,地表開始發揮作用,地表能夠吸收太陽輻射,在吸收熱量的同時,地表自身發熱,向大氣層散發長波輻射。
大氣中的二氧化碳,雖然很少直接吸收太陽輻射,但是二氧化碳能夠強烈吸收地面散發的長波輻射。
就這樣,地面成為加熱大氣的第二熱源。如果沒有地面長波輻射,地表氣溫将下降40℃。
由此,可見地面長波輻射的重要性。
此外,大氣和地表之間還存在潛熱輸送,這主要是水循環的功勞。
水分蒸發會吸收地表的熱量,水汽在空中凝結會釋放熱量,這些完成了地-氣系統之間的主要能量交換。
最後,還存在一種叫做感熱輸送,大意為:大氣和地表相互接觸,熱量總會從高溫向低溫傳導,這就形成了感熱輸送。
三、分層的大氣,層層有妙用
j就像之前所說,大氣是一個混合物。
所以,一定會有分層現象。
如果從大氣各成分是否平均分布的角度看,大氣可以分成兩層。
從地表到85km高空,大氣是均質的,除了水汽變動大,其他成分組成單一(就是均質的混合物)。
而85km以上的大氣層,可以說是非均質層,可以分為氮層、原子氧層、氦層和氫層,這些層是單一氣體組成。
雖然非均質層隻有大氣總質量的0.01%,但對地球生物有重要影響。
非均質層可分為光化層和電離層。
光化層,如臭氧層,就是阻擋紫外線的最強屏障。
而電離層包含大量離子,能夠反射無線電波。
這也是我們無線電通訊,就是依靠電離層。
除了上述的分類,在氣象學上,根據大氣溫度和運動情況,還可将大氣分成對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。
對流層就是我們所在的最底層,這裡因為熱量最為集中,空氣垂直運動也最為旺盛。
此外,這裡的最大特點是溫度随着高度上升而下降,每上升100米,氣溫下降0.65℃。
對流層最高處在赤道附近,而那裡的溫度隻有-83攝氏度。反而高緯度地區的對流層沒有赤道高,他們頂端的溫度為-53℃。
溫度變化是區分對流層和平流層的方法之一。
平流層随着高度上升,溫度保持不變或者微微上升,平流層頂端的溫度一般可達-3℃—-17℃。
此外,平流層水汽塵埃少,高空視野極佳,适合飛機飛行。
溫度變化也是區分平流層和中間層的方法。
到了中間層,随着高度上升,溫度急劇下降,可下降到-83℃,是大氣圈中最冷的部分。
在穿越中間層後,來到暖層,顧名思義,這裡是個有熱量的地方。
在暖層中,溫度會随着高度的上升而快速上升。
暖層是非均質層,大家耳熟能詳的臭氧層所在地。
這裡是吸收太陽紫外線的地方,因此高度越高,溫度越高,在暖層頂端,溫度可達1000℃以上。
此外,由于太陽輻射和宇宙射線的作用,暖層的空氣處在高度電離狀态。
因此,暖層也有好幾層電離層,極光現象也出現在這個層。
在過去,氣象學家曾将極光發生的最高處稱作大氣層的邊界,約1200千米高空。
但物理學根據大氣的物理特征,将3000千米定位大氣上界。
這段區域,被稱為散逸層,這裡空氣極其稀薄,随着高度上升,溫度還是上升。
而且散逸層的地球引力很小,高速運動的分子可以掙脫地球束縛,逃向宇宙。
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