地球大氣演化 evolution of the earth，s atmosphere

包圍地球的氣殼稱(chēng)為地球大氣?，F(xiàn)在的大氣是由原始大氣經(jīng)歷一系列復(fù)雜變化才形成的。原始大氣出現(xiàn)于距今約4.6×109年以前，比人類(lèi)出現(xiàn)的時(shí)間約早三個(gè)量級(jí)(人類(lèi)出現(xiàn)距今數(shù)百萬(wàn)年)，比人類(lèi)最初出現(xiàn)文字記載的時(shí)間約早六個(gè)量級(jí)(文字出現(xiàn)距今數(shù)千年)。所以人類(lèi)無(wú)法獲得各階段的大氣樣本，只好依靠所發(fā)現(xiàn)的地層征跡和太陽(yáng)系各行星上大氣的資料(見(jiàn)行星大氣)，結(jié)合自然演化規(guī)律以及物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)等，用模擬方法或邏輯推理進(jìn)行研究。但所得的資料仍十分零星，而且地球大氣的演化史，前同星系、太陽(yáng)系、行量起源相銜接,后同人類(lèi)對(duì)大氣的影響相聯(lián)系,本身又和地球的地質(zhì)發(fā)展史、生命發(fā)展史等密切相關(guān)，加上研究其演變所牽涉到的學(xué)科很多，除大氣科學(xué)本身外，和天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等，都有密切關(guān)系，所以要把一鱗半爪的資料串聯(lián)為在地區(qū)上能橫向調(diào)諧、在時(shí)間上能縱向連貫，在各學(xué)科研究結(jié)果間又能互相補(bǔ)充、互相印證，基本上符合自然發(fā)展規(guī)律，能科學(xué)地說(shuō)明現(xiàn)在大氣成分和結(jié)構(gòu)機(jī)理的地球大氣演化史，是十分困難的。一些學(xué)者提出了地球大氣的多種演變模式，這些模式往往由于研究者的主要專(zhuān)業(yè)的局限，作資料處理時(shí)所強(qiáng)調(diào)的方面不同，在許多細(xì)節(jié)上，難以統(tǒng)一認(rèn)識(shí),但模式的輪廓仍有其共同性,與細(xì)節(jié)相比，還是具有一定穩(wěn)定性的。地球大氣的演化經(jīng)歷了原始大氣、次生大氣和現(xiàn)在大氣三代。 原始大氣 原始大氣的形成與星系的形成密切有關(guān)。宇宙中存在著許多原星系，它們最初都是一團(tuán)巨大的氣體，主要成分是氫。以后原星系內(nèi)的氣體，團(tuán)集成許多中心,在萬(wàn)有引力作用下,氣體分別向這些中心收縮。出現(xiàn)了許多原星體，愈收縮則密度愈大，密度愈大則收縮愈快，使原星體內(nèi)原子的平均運(yùn)動(dòng)速率愈來(lái)愈大，溫度也愈來(lái)愈高。當(dāng)溫度升高到攝氏1000萬(wàn)度以上時(shí)，原星體會(huì)發(fā)生核反應(yīng)，出現(xiàn)四個(gè)氫原子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦原子的過(guò)程。較大的原星體的核反應(yīng)較強(qiáng)，能聚變成較重的元素。按照愛(ài)因斯坦能量(E)和質(zhì)量(m)方程E = mc2(c為光速)，這些聚變過(guò)程會(huì)伴生大量輻射能，使原星體轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)光的恒星體。恒星體內(nèi)部存在復(fù)雜的核反應(yīng)，在氫的消耗過(guò)程中，較重元素的豐度漸漸增多，并形成一些更重要的元素，光譜分析的結(jié)果是，原子豐度隨原子序數(shù)增大而減少。 特別巨大的星體，內(nèi)部核反應(yīng)特強(qiáng)，能使星體爆裂，形成超新星，它具有強(qiáng)大的爆炸壓強(qiáng)，使其中已形成的不同原子量的元素裂成碎片，散布到星際空間中去，造成宇宙塵和氣體云，隨后冷卻成暗云。這樣，超新星的每一次爆炸,都進(jìn)一步使星系內(nèi)增加更多的較重元素,使星際空間內(nèi)既有大量氣體(以氫、氦為主)，又有固體微粒。太陽(yáng)系是銀河系中一個(gè)旋臂空間內(nèi)的氣體原星體收縮而成的，因此它包含有氣體和固體微粒。太陽(yáng)系的年齡估計(jì)為46～50億年，銀河系的歷史約比太陽(yáng)系長(zhǎng)2～3倍。 原太陽(yáng)系中彌漫著冷的固體微粒和氣體，它們是形成行星、衛(wèi)星及其大氣的原料。在原太陽(yáng)系向中心收縮時(shí)，其周?chē)@行的固體微粒和氣體，也分別在引力作用下凝聚成行星和衛(wèi)星。關(guān)于太陽(yáng)、行星、衛(wèi)星是否同時(shí)形成，尚有不同意見(jiàn)：有的認(rèn)為是同時(shí)形成的，有的認(rèn)為是先形成太陽(yáng),后形成行星及衛(wèi)星,有的認(rèn)為衛(wèi)星是行星分裂出的，也有認(rèn)為行星和衛(wèi)星的形成早于太陽(yáng)。但對(duì)地球的形成約在距今46億年前，則是比較一致的看法。 原始大氣的形成 原地球是太陽(yáng)系中原行星之一。它是原太陽(yáng)系中心體中運(yùn)動(dòng)的氣體和宇宙塵借引力吸積而成。它一邊增大，一邊掃并軌道上的微塵和氣體，一邊在引力作用下收縮。隨著“原地球”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;地球”，地表漸漸冷凝為固體，原始大氣也就同時(shí)包圍地球表面。 對(duì)原始大氣的組分有著不同的看法。有的認(rèn)為原始大氣中的氣體，以氫和一氧化碳為主。例如，A.E.林伍德(1973)曾在慶祝哥白尼誕生500周年紀(jì)念會(huì)上指出,地球的固體部分主要是由C1型碳質(zhì)球粒隕石吸積而成，這種隕石含有豐富的二氧化硅、氧化亞鐵、氧化鎂、水汽、碳質(zhì)(如碳和甲烷等);此外還有硫和另一些金屬氧化物。在地球吸積增大時(shí)，引力能轉(zhuǎn)化為熱能，使地球溫度不斷提高。當(dāng)升溫到1000°C以上時(shí)，這類(lèi)隕石的組分會(huì)發(fā)生自動(dòng)還原現(xiàn)象。其中金屬和硅的氧化物被還原為金屬和硅，所放出的氧則和碳結(jié)合成一氧化碳而脫離地面進(jìn)入大氣。例如氧化亞鐵會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)： FeO+C→Fe+Co 使氧化亞鐵還原為金屬鐵并產(chǎn)生一氧化碳。而甲烷在此高溫下也會(huì)部分分解為碳和氫。碳又可起到還原氧化亞鐵的作用，形成氫和一氧化碳。此外，水汽在此高溫下也能和碳作用，生成氫和一氧化碳。這就形成了以一氧化碳和氫為主的原始大氣。 根據(jù)林伍德的意見(jiàn)， 原始大氣中不能存在甲烷和氨，因?yàn)榧淄楹桶钡姆悬c(diǎn)分別為-161.5°C和-33.35°C，它們?cè)跍囟冗h(yuǎn)高于1500°C的原始大氣中，早就分解掉了。但是據(jù)G.P.柯伊伯的意見(jiàn)，原始大氣是原太陽(yáng)星云中氣體因進(jìn)入地球引力范圍而被地球俘獲的，因此它的成分應(yīng)當(dāng)和原太陽(yáng)系中氣體的豐度基本相似。根據(jù)柯伊伯(1952)的計(jì)算，地球最初的大氣(見(jiàn)表)是一種以氫、氦為主體的大氣。當(dāng)時(shí)大氣中氫的重量約為全球固體部分鎂、硅、鐵、氧四種元素總重量的 400倍。而這四種元素是今日地球固體部分的最多組分，可見(jiàn)那時(shí)大氣中含氫量之多了。

 對(duì)原始大氣組分的上述兩種看法雖然很不相同，但并不是不能統(tǒng)一。因?yàn)榧词故窃即髿?，其組分也是在不斷變化著的。在地球形成之初,溫度尚不很高,吸積的氣體應(yīng)當(dāng)符合柯伊伯提出的情況。但當(dāng)吸積較甚時(shí)，溫度就會(huì)很快升高，這時(shí)林伍德所提出的過(guò)程就會(huì)占優(yōu)勢(shì)了。 原始大氣的驅(qū)散 原始大氣存在的時(shí)間不太久，僅數(shù)千萬(wàn)年。因?yàn)槟昵嗟暮阈且话愣家?jīng)歷一個(gè)噴發(fā)大量物質(zhì)流的階段,即金牛座T型變星階段。太陽(yáng)經(jīng)歷這個(gè)階段時(shí)，正當(dāng)?shù)厍蛐纬傻脑缙?，此時(shí)太陽(yáng)以驚人的速率噴發(fā)巨量太陽(yáng)物質(zhì)，形成所謂太陽(yáng)風(fēng)。它把地球原始大氣從地球上撕開(kāi)，刮向茫茫太空。 次生大氣 次生大氣的形成 地球原始大氣的消失不僅是太陽(yáng)風(fēng)狂拂所致，也與地球吸積增大時(shí)溫度升高有關(guān)。溫度升高的原因不僅是吸積的引力能轉(zhuǎn)化為熱能所致，流星隕石從四面八方打擊固體地球表面，其動(dòng)能也會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。此外，地球內(nèi)部放射性元素如鈾和釷的衰變也釋放熱能。上述這些發(fā)熱機(jī)制都促使當(dāng)時(shí)地球大氣中較輕氣體逃逸。 發(fā)熱機(jī)制除使當(dāng)時(shí)大氣中較輕氣體向太空逃逸外，還起到為產(chǎn)生次生大氣準(zhǔn)備條件的另外兩種作用。①使被吸積的C1型碳質(zhì)球粒隕石中某些成分因升溫而還原，使鐵、鎂、硅、鋁等還原分離出來(lái)，由于它們的比重不等，造成了固體地球的重力不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。但由于它們都是固體，沒(méi)有自動(dòng)作重力調(diào)整的可能。②使地球內(nèi)部升溫而呈熔融狀態(tài)。這一作用十分重要。因?yàn)樗乖瓉?lái)不能作重力調(diào)整的不穩(wěn)定固體結(jié)構(gòu)熔融，可通過(guò)對(duì)流實(shí)現(xiàn)調(diào)整，發(fā)生了重元素沉向地心、輕元素浮向地表的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程在整個(gè)地質(zhì)時(shí)期均有發(fā)生，但在地球形成初期尤為盛行。在這種作用下，地球內(nèi)部物質(zhì)的位能有轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^動(dòng)能和微觀動(dòng)能的趨勢(shì)。微觀動(dòng)能即分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，它的加大能使地殼內(nèi)的溫度進(jìn)一步升高，并使熔融現(xiàn)象加強(qiáng)。宏觀動(dòng)能的加大，使原已堅(jiān)實(shí)的地殼發(fā)生遍及全球的或局部的掀裂。這兩者的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致造山運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)。在地球形成時(shí)被吸積并錮禁于地球內(nèi)部的氣體，通過(guò)造山運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)將排出地表，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“排氣”。地球形成初期遍及全球的排氣過(guò)程，形成了地球的次生大氣圈。這時(shí)的次生大氣成分和火山排出的氣體相近。而夏威夷火山排出的氣體成分主要為水汽(約占79%)和二氧化碳(約占12%)。但根據(jù)H.D.霍蘭(1963)的研究，在地球形成初期，火山噴發(fā)的氣體成分和現(xiàn)代不同，他們以甲烷和氫為主，尚有一定量的氨和水汽。 次生大氣中沒(méi)有氧。這是因?yàn)榈貧ふ{(diào)整剛開(kāi)始，地表金屬鐵尚多，氧很易和金屬鐵化合而不能在大氣中留存，因此次生大氣屬于缺氧性還原大氣。次生大氣形成時(shí)，水汽大量排入大氣，當(dāng)時(shí)地表溫度較高，大氣不穩(wěn)定對(duì)流的發(fā)展很盛，強(qiáng)烈的對(duì)流使水汽上升凝結(jié)，風(fēng)雨閃電頻仍，地表出現(xiàn)了江河湖海等水體。這對(duì)此后出現(xiàn)生命并進(jìn)而形成現(xiàn)在的大氣有很大意義。次生大氣籠罩地表的時(shí)期大體在距今45億年前到20億年前之間。 現(xiàn)在大氣 由次生大氣轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在大氣，同生命現(xiàn)象的發(fā)展關(guān)系最為密切。地球上生命如何出現(xiàn)是長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問(wèn)題。А.И.奧巴林(1924)最早提出生命現(xiàn)象最初出現(xiàn)于還原大氣中的看法，其后有S.L.米勒(1952)等人在實(shí)驗(yàn)室的人造還原大氣中，用火花放電的辦法制出了一些有機(jī)大分子，如氨基酸和腺嘌呤等。腺嘌呤是脫氧核糖核酸和核糖核酸的主要成分。所以這種實(shí)驗(yàn)有一定意義。但20世紀(jì)60、70年代人們利用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)在星際空間就有這些有機(jī)大分子,例如氨亞甲胺(CH2NH)、氰基(CN)、乙醛(CH3CHO)、甲基乙炔(CH3C2H)等。他們又曾將隕星粉末加熱,發(fā)現(xiàn)有乙腈(CH3CN)等揮發(fā)性化合物和腺嘌呤等非揮發(fā)性化合物。于是認(rèn)為生命的根苗可能存在于星際空間。但無(wú)論如何，即使“前生命物質(zhì)”來(lái)自星際空間，但最簡(jiǎn)單的最早的生命，仍應(yīng)出現(xiàn)于還原大氣中。這是因?yàn)樵谘鯕獬渑娴拇髿庵校詈?jiǎn)單的生命體易于分解、難以發(fā)展。 氧和二氧化碳的形成和變化 在綠色植物尚未出現(xiàn)于地球上以前，高空尚無(wú)臭氧層存在，太陽(yáng)遠(yuǎn)紫外輻射能穿透上層大氣到達(dá)低空，把水汽分解為氫、氧兩種元素。當(dāng)一部分氫逸出大氣后，多余的氧就留存在大氣中。在此過(guò)程中,因太陽(yáng)遠(yuǎn)紫外線會(huì)破壞生命,所以地面上就不能存在生命。初生的生命僅能存在于遠(yuǎn)紫外輻射到達(dá)不了的深水中,利用局地金屬氧化物中的氧維持生活,以后出現(xiàn)了氧介酶(Oxygen-mediating enzymes)，它可隨生命移動(dòng)而供應(yīng)生命以氧，使生命能轉(zhuǎn)移到淺水中活動(dòng)，并在那里利用已被淺水過(guò)濾掉有害的紫外輻射的日光和溶入水中的二氧化碳來(lái)進(jìn)行光合作用以增長(zhǎng)軀體，從而發(fā)展了有葉綠體的綠色植物。于是光合作用結(jié)合水汽的光解作用使大氣中的氧增加起來(lái)。 大氣中氧的組分較多時(shí)，在高空就可能形成臭氧層。這是氧分子與其受紫外輻射光解出的氧原子相結(jié)合而成的(見(jiàn)大氣臭氧層)。臭氧層一旦形成，就會(huì)吸收有害于生命的紫外輻射，低空水汽光解成氧的過(guò)程也不再進(jìn)行。于是在低空，綠色植物的光合作用成為大氣中氧形成的最重要原因。這時(shí)生命物因受到了臭氧層的屏護(hù)，不再受遠(yuǎn)紫外輻射的侵襲，且能得到氧的充分供應(yīng)，就能脫離水域而登陸活動(dòng)?？傊?，植物的出現(xiàn)和發(fā)展使大氣中氧出現(xiàn)并逐漸增多起來(lái)，動(dòng)物的出現(xiàn)借呼吸作用使大氣中的氧和二氧化碳的比例得到調(diào)節(jié)。此外，大氣中的二氧化碳還通過(guò)地球的固相和液相成分同氣相成分間的平衡過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)。 一般在現(xiàn)在大氣發(fā)展的前期，地球溫度尚高時(shí)，水汽和二氧化碳往往從固相巖石中被釋放到大氣中，使大氣中水汽和二氧化碳增多。另外大氣中甲烷和氧化合時(shí)，也能放出二氧化碳。但當(dāng)現(xiàn)在大氣發(fā)展的后期，地球溫度降低，大氣中的二氧化碳和水汽就可能結(jié)合到巖石中去。這種使很大一部分二氧化碳被錮禁到巖石中去的過(guò)程，是現(xiàn)在大氣形成后期大氣中二氧化碳含量減少的原因。再則，一般溫度愈低，水中溶解的二氧化碳量就愈多，這又是現(xiàn)在大氣形成后期二氧化碳含量比前期大為減少的原因之一。因?yàn)楝F(xiàn)在大氣的溫度比早期為低。 大氣中氧含量逐漸增加是還原大氣演變?yōu)楝F(xiàn)在大氣的重要標(biāo)志。一般認(rèn)為，在太古代晚期，尚屬次生大氣存在的階段，已有厭氧性菌類(lèi)和低等的藍(lán)藻生存。約在太古代晚期到元古代前期，大氣中氧含量已漸由現(xiàn)在大氣氧含量的萬(wàn)分之一增為千分之一。地球上各種藻類(lèi)繁多，它們?cè)诠夂献饔眠^(guò)程中可以制造氧。在距今約 6億年前的元古代晚期到古生代初的初寒武紀(jì)，氧含量達(dá)現(xiàn)在大氣氧的百分之一左右，這時(shí)高空大氣形成的臭氧層，足以屏蔽太陽(yáng)的紫外輻射而使淺水生物得以生存，在有充分二氧化碳供它們進(jìn)行光合作用的條件下，浮游植物很快發(fā)展,多細(xì)胞生物也有發(fā)展。大體到古生代中期(距今約4億多年前)的后志留紀(jì)或早泥盆紀(jì)，大氣氧已增為現(xiàn)在的十分之一左右，植物和動(dòng)物進(jìn)入陸地，氣候濕熱，一些造煤樹(shù)木生長(zhǎng)旺盛，在光合作用下，大氣中的氧含量急增。到了古生代后期的石炭紀(jì)和二疊紀(jì)(分別距今約3億和2.5億年前)，大氣氧含量竟達(dá)現(xiàn)有大氣氧含量的3倍，這促使動(dòng)物大發(fā)展,為中生代初的三疊紀(jì)(距今約 2億年前)的哺乳動(dòng)物的出現(xiàn)提供了條件。由于大氣氧的不斷增多,到中生代中期的侏羅紀(jì)(距今約1.5億年前),就有巨大爬行動(dòng)物如恐龍之屬的出現(xiàn),需氧量多的鳥(niǎo)類(lèi)也出現(xiàn)了。但因植物不加控制地發(fā)展，使光合作用加強(qiáng)，大量消耗大氣中的二氧化碳。這種消耗雖可由植物和動(dòng)物發(fā)展后的呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳來(lái)補(bǔ)償，但補(bǔ)償量是不足的，結(jié)果大氣中二氧化碳就減少了。二氧化碳的減少必導(dǎo)致大氣保溫能力減弱、降低了溫度(見(jiàn)溫室效應(yīng))，使大氣中大量水分凝降，改變了天空陰霾多云的狀況。因此，中緯度地帶四季遂趨分明。降溫又會(huì)使結(jié)合到巖石中和溶解到水中的二氧化碳量增多，這又進(jìn)一步減少空氣中二氧化碳的含量，從而使大氣中充滿更多的陽(yáng)光，有利于現(xiàn)代的被子植物(顯花植物)的出現(xiàn)和發(fā)展。 由于光合作用的原料二氧化碳減少了，植物釋出的氧就不敷巨大爬行類(lèi)恐龍呼吸之用，再加上一些尚有爭(zhēng)議的原因(例如近來(lái)有不少人認(rèn)為恐龍等的絕滅是由于星體與地球相碰發(fā)生突變所致)，使恐龍之類(lèi)的大爬行動(dòng)物在白堊紀(jì)后期很快絕滅，但能夠適應(yīng)新的氣候條件的哺乳動(dòng)物卻得到發(fā)展。這時(shí)已到了新生代，大氣的成分已基本上和現(xiàn)在大氣相近了?？梢?jiàn)從次生大氣演變?yōu)楝F(xiàn)在大氣，氧含量有先增后減的跡象，其中在古生代末到中生代中期氧含量為最多。 氮和氬的形成 正如現(xiàn)在大氣中的二氧化碳，最初有一部分是由次生大氣中的甲烷和氧起化學(xué)作用而產(chǎn)生的一樣,現(xiàn)在大氣中的氮,最初有一部分是由次生大氣中的氨和氧起化學(xué)作用而產(chǎn)生?；鹕絿姲l(fā)的氣體中，也可能包含一部分氮。在動(dòng)植物繁茂后，動(dòng)植物排泄物和腐爛遺體能直接分解或間接地通過(guò)細(xì)菌分解為氣體氮。氧雖是一種活潑的元素，但是氮是一種惰性氣體，所以在常溫下它們不易化合。這就是為什么氮能積集成大氣中含量最多的成分，且能與次多成分氧相互并存于大氣中的原因。至于現(xiàn)在大氣中含量占第三位的氬，則是地殼中放射性鉀衰變的副產(chǎn)品。 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣成分的影響 地球自形成到現(xiàn)代，經(jīng)歷了原始大氣、次生大氣和現(xiàn)在大氣三個(gè)階段。但現(xiàn)在大氣的成分,也不是永不再變的,它將隨著今后自然條件的變化及人類(lèi)活動(dòng)的影響而發(fā)生變化。例如自然界的氮在一定時(shí)期內(nèi)近似地保持平衡。但是人畜的大量繁殖，使大氣中自由氮轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭☉B(tài)氮的量不斷增加。又根據(jù)統(tǒng)計(jì),自1950年到1968年,為了生產(chǎn)肥料，每年所固定的氮量約增加5倍,這必然會(huì)影響大氣中氮的含量。大氣中氧和二氧化碳也受到人畜繁殖和人類(lèi)活動(dòng)的影響。例如人畜的增多，必增加大氣中的二氧化碳而減少大氣中的氧。人類(lèi)砍伐林木必將減弱全球光合作用的過(guò)程，從而減少大氣中的氧含量，而燃燒和工業(yè)活動(dòng)又有消耗大氣中的氧并增加大氣中二氧化碳的作用。此外，人類(lèi)的工業(yè)活動(dòng)還增加了大氣中一些前所未有的污染物，它們也影響了大氣的組分(見(jiàn)空氣污染氣象學(xué)、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候的影響)。 大氣分層 不論是原始大氣、次生大氣或現(xiàn)在大氣，由于太陽(yáng)輻射、大氣成分和地球磁場(chǎng)的特點(diǎn)的不同，都具有性質(zhì)不同的層次。關(guān)于地質(zhì)時(shí)期大氣圈中的分層情況，可由太陽(yáng)系其他行星大氣的分層而有所推估。現(xiàn)在大氣形成后，由于大氣成分和地磁場(chǎng)的條件基本上已知，可根據(jù)太陽(yáng)發(fā)射的各波長(zhǎng)的電磁波在大氣中傳播時(shí)所起的作用不同來(lái)分析分層現(xiàn)象。太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)大致可分為四個(gè)波段：短于0.1微米的波段,其能量主要來(lái)自太陽(yáng)的色球?qū)雍腿彰岵糠?，該波段主要?duì)大氣起光致電離作用，大于0.1微米的三個(gè)波段,其能量主要來(lái)自太陽(yáng)的光球?qū)?，其?.1～0.2微米的輻射占太陽(yáng)總輻射能的萬(wàn)分之一，有使氧分子光致離解的作用;而0.2～0.3微米的輻射占太陽(yáng)總輻射能的1.75%，有使臭氧發(fā)生光致離解的作用;至于波長(zhǎng)大于0.3微米的能量,占太陽(yáng)總輻射能量的98%，易被水汽和地面所吸收，有照明和轉(zhuǎn)化為熱能的作用。 磁層、電離層和中性層 太陽(yáng)輻射中波長(zhǎng)短于0.1微米的部分可深入大氣到距地表約90公里以上(白天為約60公里以上)，能使大氣中的氮和氧等成分電離。如： N2+hv(λ<0.0796μm)→N娚+e-

O+hv(λ<0.0910μm)→O++e-

O2+hv(λ<0.1026μm)→O娚+e-

其中ν 為輻射頻率，λ為波長(zhǎng)，h為普朗克常數(shù);原子氧由較低層大氣中的氧分子受光致離解后向上擴(kuò)散到距地表200公里以上而得。大體在距地表100公里以下，分子氧離子很多,原子氧離子很少。但在距地表200公里到500～1000公里之間，原子氧離子就比分子氧離子多了?？偟恼f(shuō)來(lái),從距地表60公里到距地表500～1000公里之間，因大氣成分受光致電離較盛，就形成了電離層。在電離層中，中性分子的數(shù)密度較大，離子運(yùn)動(dòng)受中性分子運(yùn)動(dòng)的干擾較大，所以尚難以全受地磁場(chǎng)的控制。但是在距地表500～1000公里以上的大氣已很稀薄,其中的電子、質(zhì)子、離子的運(yùn)動(dòng)僅受地心引力和地磁場(chǎng)的控制，很少受到中性分子運(yùn)動(dòng)的干擾，因此特稱(chēng)為磁層。太陽(yáng)輻射中短于0.1微米的電磁波,在從大氣頂深入到距地表約90公里(白天約60公里)的過(guò)程中，使大氣光致電離的同時(shí)，也被大氣吸收而不斷削弱，從而難以透入到距地表60公里以下的大氣中，所以60公里以下的大氣幾乎無(wú)光致電離過(guò)程，大氣保持了中性。形成了中性層。大氣圈由于太陽(yáng)輻射的光致電離,自上而下形成了三個(gè)層次,即磁層、電離層和中性層,在距地表約500～1000公里以上為磁層，約60公里以下為中性層,60～500或1000公里為電離層。 熱層、中層、平流層和對(duì)流層 這四個(gè)層次的形成主要同太陽(yáng)輻射進(jìn)入大氣后產(chǎn)生熱效應(yīng)有關(guān)。波長(zhǎng)為0.1～0.2微米的太陽(yáng)強(qiáng)烈紫外輻射,能使距地表約85公里以上的分子氧光致離解(O2+hν→2O),形成原子氧。原子氧擴(kuò)散到200公里以上的高空，在波長(zhǎng)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(O++O2→O娚+O)，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(O++N2→NO++N)，而氧化氮離子與電子復(fù)合(NO++e-→O+N),以及分子氧離子與電子復(fù)合(O娚+e-→2O)，在這些過(guò)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(guò)程的綜合作用，就使高空溫度升得很高，達(dá)1500°C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增高，形成了熱層。在500公里以上,因大氣中性分子可逸向太空，故稱(chēng)為外逸層。 波長(zhǎng)0.1～0.2微米的太陽(yáng)輻射在距地表85公里以下的大氣中，仍能對(duì)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(jié)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定下來(lái)(見(jiàn)大氣臭氧層)。在距地表85公里以上，空氣較稀，原子氧和分子氧結(jié)合時(shí)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(O+O2+M→O3+M)，有利于臭氧的穩(wěn)定。有了臭氧后會(huì)發(fā)生下列兩個(gè)放熱過(guò)程： O3+O→2O2

O3+hν(λ0.2～0.3μm)→O2+O

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(gè)溫度隨高度增加而遞減的區(qū)域，稱(chēng)為中層。通過(guò)高層大氣而能到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，其波長(zhǎng)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(duì)的低溫。在中緯度，相對(duì)最低溫的大氣層距地表約12公里，這即為對(duì)流層頂。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(duì)流層。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。這樣，大氣圈就形成了對(duì)流層、平流層、中層和熱層四個(gè)熱力性質(zhì)不同的層次。 勻和層和非勻和層 勻和層和非勻和層是從大氣組分的角度來(lái)區(qū)分大氣的。其形成與大氣的湍流混合強(qiáng)度有關(guān)。“勻和”就是大氣各組分因湍流而均勻混和，造成組分的百分率上下一致的意思。對(duì)流層和中層都是下熱上冷的溫度結(jié)構(gòu)，所以對(duì)流較盛，其間夾有一個(gè)下冷上熱的較穩(wěn)定的平流層。但平流層溫度向上遞增的現(xiàn)象不及其上下層的溫度向上遞減現(xiàn)象顯著，所以把對(duì)流層、平流層和中層三個(gè)層次綜合來(lái)看，湍流混和作用還是主要的，只是平流層中的混和現(xiàn)象較弱而已。在中層頂以下，大氣由于充分混和，其組分的比例基本上一致。從而就形成了中層頂以下的勻和層。 從中層頂?shù)骄嗟乇砑s 300公里的高度，溫度隨高度增高得很快，大氣層結(jié)基本穩(wěn)定(見(jiàn)大氣靜力穩(wěn)定度)，無(wú)湍流運(yùn)動(dòng)，分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要受重力影響，大氣中分子量或原子量愈大的氣體，其密度向上遞減的速率愈快。這就造成高層大氣中重組分和輕組分分離、并形成高度愈高則重組分愈少的現(xiàn)象。由于光致離解作用，在高層大氣中存在著一些原子氣體，自下而上形成了原子氧向上遞增區(qū)、原子氧區(qū)、原子氦區(qū)和原子氫區(qū)。這種高度不同其主要成分也有變化的氣層稱(chēng)為非勻和層。 光化層 在距地表約20～110公里之間的氣層中,化學(xué)變化較其上或其下的氣層為盛，在這層內(nèi)各高度的大氣密度和成分不同,而且流星余燼又使其成分復(fù)雜化,太陽(yáng)輻射的紫外部分的強(qiáng)度，也足以使其中成分發(fā)生光分解或光電離等作用，被分解或電離的物質(zhì)在一定條件下又能互相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如在平流層中有分子氧光解為原子氧、分子氧和原子氧組合成臭氧、臭氧分解等化學(xué)過(guò)程，平流層中的臭氧層就是化學(xué)過(guò)程所造成的。又如在中層有水汽光解為原子氫和氫氧基的過(guò)程等。這些化學(xué)反應(yīng)往往隨晝夜、季節(jié)、緯度和高度而變化，加上湍流和大氣環(huán)流又可以將反應(yīng)物帶到一起，這又增加了化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性和頻繁性。 在光化層以上的非勻和層內(nèi)，各高度的空氣成分比較單純。由于那里屬逆溫層，空氣較為穩(wěn)定，沒(méi)有湍流使各高度不同成分的氣體加強(qiáng)混合，而且密度較小，即使在強(qiáng)太陽(yáng)輻射作用下，也難以發(fā)生化學(xué)變化。主要發(fā)生的只是電離等物理反應(yīng)。 在光化層以下的氣層中,波長(zhǎng)短于0.3微米的太陽(yáng)輻射基本上已被其上氣層所吸收,到達(dá)的多為波長(zhǎng)大于0.3微米的電磁波。它們?cè)诘蛯虞^密的大氣中傳播時(shí)，僅起到照明和加熱等物理作用。這層內(nèi)僅存在由人類(lèi)活動(dòng)所致的污染物造成的大氣化學(xué)變化。