高中地球科學/大氣

地球的大氣層是一層薄薄的氣體和微小顆粒的毯子——統稱為空氣。沒有空氣，地球將只是一個圍繞太陽執行的無生命岩石。雖然我們很少意識到它，但空氣包圍著我們。當空氣移動時，我們最能感覺到它，從而形成風。像所有氣體一樣，空氣也佔據空間。構成我們空氣的這些氣體在地球表面附近比高海拔地區更密集地堆積在一起。

所有生物都需要一些空氣中的氣體來維持生命。特別是，所有生物都依賴於氧氣進行呼吸——甚至植物。植物也需要空氣中的二氧化碳進行光合作用。所有天氣都發生在大氣層中。大氣層還有許多其他重要的作用。這些包括調節地球的溫度和保護生物免受太陽最有害的射線。

課程目標

描述大氣層對我們星球及其生命的意義。
概述大氣層在水迴圈中的作用。
列出大氣的主要成分並瞭解它們的功能。
描述大氣壓力如何隨著海拔的變化而變化。

大氣的重要性

如果沒有大氣層，地球將更像月球，而不是我們今天所居住的星球。地球的大氣層以及地球表面豐富的液態水是地球在太陽系中獨一無二的關鍵。地球的許多非凡之處都取決於大氣層。讓我們考慮一下我們幸運地擁有大氣層的眾多原因。

大氣氣體對於地球上的生命是必不可少的

如果沒有大氣層，地球將毫無生機。二氧化碳 (CO₂) 和氧氣 (O₂) 是對生物體最重要的氣體。CO2 對植物在光合作用中至關重要，植物利用 CO2 和水將太陽能轉化為食物能量。這種食物能量以糖的形式存在葡萄糖 (C₆H₁₂O₆）。植物也產生 O₂。光合作用幾乎是目前大氣中所有氧氣的來源。

光合作用的化學反應是

6CO₂ + 6H₂O + 太陽能 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

透過創造氧氣和食物，植物創造了一個有利於動物生存的環境。在呼吸中，動物利用氧氣將糖轉化為它們可以利用的食物能量。植物也進行呼吸，消耗它們產生的一些糖分。

呼吸的化學反應是

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 可利用的能量

請注意，呼吸看起來像是光合作用的逆反應。在光合作用中，CO₂ 被轉化為 O₂，而在呼吸中，O₂ 被轉化為 CO₂。

大氣是水迴圈的重要組成部分

水從大氣層移到陸地、土壤中、生物體內、海洋中，然後以任何順序回到大氣層。水的這種運動稱為水迴圈或水文迴圈（圖 15.1）。

水透過蒸發從液體變為氣體。水蒸氣是水處於氣態時的名稱。當太陽能蒸發海洋表面或陸地上的湖泊、河流或水坑中的水時，它就會變成水蒸氣。水蒸氣停留在大氣中，直到它凝結成微小的液滴。這些微小的液滴可能聚在一起形成降水，如雨和雪。雪可能會成為冰川中冰的一部分，在那裡它可能會停留數百年或數千年。最終，雪或冰會融化形成液態水。作為雨滴落下來的水滴可能會成為河流或湖泊的一部分，也可能會滲入地下併成為地下水的一部分。

在地表，水最終會經歷蒸發並重新進入大氣層。如果水被植物吸收，然後從植物中蒸發出來，這個過程稱為蒸騰。

所有天氣都發生在大氣層中，幾乎所有天氣都發生在低層大氣中。天氣描述了特定時間和地點的大氣狀況，可能包括溫度、風和降水。這是我們每天經歷的變化。氣候是特定地點天氣的長期平均值。雖然亞利桑那州圖森的某個冬季日的可能包括降雪，但圖森的氣候通常溫暖乾燥。

由於降水、風和與我們大氣中氣體反應而發生在地球表面的物理和化學變化稱為風化作用。風化作用改變岩石和礦物，並塑造地球表面的地貌。如果沒有風化作用，地球表面將不會發生太大變化。例如，月球沒有大氣層、水或風，因此它沒有風化作用。宇航員幾十年前在月球上留下的腳印將保留在那裡，直到有人（人類或外星人）將其抹平！你只需要在海灘上待幾分鐘，就能知道地球表面一直在變化。

高層大氣中的臭氧使地球上的生命成為可能

臭氧是由三個氧原子組成的分子，(O₃)。高層大氣中的臭氧吸收來自太陽的高能紫外線輻射 (UV)。這保護了地球表面的生物免受太陽最有害的射線。如果沒有臭氧的保護，只有最簡單的生命形式才能在地球上生存。

大氣使地球的溫度保持適中

我們的大氣層使地球的溫度保持在可接受的範圍內；地球上最冷的地方和最熱的地方之間的溫差約為 150°C (270°F)。如果沒有我們的大氣層，地球的溫度在晚上會很冷，白天會很熱。我們每天的溫度將類似於月球上的溫度，月球的溫度範圍為 310°C (560°F)，因為那裡沒有大氣層。溫室氣體在大氣中捕獲熱量。重要的溫室氣體包括二氧化碳、甲烷、水蒸氣和臭氧。

大氣氣體為波傳播提供了物質

大氣層由氣體構成，主要是氮氣和氧氣。即使你看不見它們，氣體也佔據空間並能傳遞能量。聲波是能夠穿過大氣層的能量型別之一。如果沒有大氣層，我們就聽不到任何聲音。地球會像外太空一樣寂靜。當然，沒有昆蟲、鳥類或飛機能夠飛行，因為沒有大氣層支撐它！

空氣的組成

表 15.1：大氣氣體濃度
氣體	符號	濃度（%）
氮	N₂	78.08
氧	O₂	20.95
氬	Ar	0.93
氖	Ne	0.0018
氦	He	0.005
氫	H	0.00006
氙	Xe	0.000009
水蒸氣	H₂O	0 到 4
二氧化碳	CO₂	0.038
甲烷	CH₄	0.00017
氪	Kr	0.00011
氧化亞氮	N₂O	0.0005
臭氧	O₃	0.000004
顆粒物（灰塵、煙塵）		0.000001
氯氟烴（CFCs）		0.00000002

空氣幾乎完全由兩種氣體組成。最常見的氣體是氮氣，第二常見的氣體是氧氣 (O₂)。氮氣和氧氣加起來佔地球大氣層的 99%。所有其他氣體加起來佔剩餘的 1%。雖然這些微量氣體中的每一種都只存在於微量中，但許多氣體，如臭氧，對地球及其生命發揮著重要的作用。一種非常重要的微量氣體是二氧化碳 (CO₂)，它是光合作用所必需的，也是一種非常重要的溫室氣體（表 15.1）。

在自然界中，空氣永遠不會完全乾燥。空氣中高達 4% 的體積可能是水蒸氣。溼度是指空氣中水蒸氣的含量。空氣的溼度因地點和季節而異。如果你比較一下美國佐治亞州亞特蘭大夏季的一天，那裡的溼度非常高，和美國亞利桑那州鳳凰城冬季的一天，那裡的溼度非常低，這個事實就顯而易見了。當空氣非常潮溼時，會感覺沉重或粘稠。當外面非常潮溼時，你的頭髮可能會變得非常捲曲或蓬鬆。大多數人在空氣乾燥時感覺更舒適。由於空氣可以非常潮溼或乾燥，所以大氣中水蒸氣的百分比在上面的表格中列出了一個較大的範圍值。

氬、氖、氦、氙和氪是惰性氣體。它們無色、無味、無味，而且由於它們在化學上是惰性的，所以它們不會參與普通的化學反應。惰性氣體只是存在於大氣中。

大氣中的一些物質不是氣體。灰塵、土壤、糞便、金屬、鹽、煙霧、灰燼和其他固體顆粒佔大氣中的一小部分。這個百分比是可變的，任何在沙漠中經歷過風天的人都知道這一點（圖 15.2）。顆粒物很重要，因為它們為水蒸氣凝結提供了起始點（或核），從而形成雨滴。一些顆粒物是汙染物，將在關於人類活動和大氣的章節中討論。

壓力和密度

大氣在海拔（或高度）的不同高度具有不同的性質。大氣層的密度（給定體積中的分子數量）隨著你升高而降低。這就是為什麼攀登珠穆朗瑪峰等高山的探險家必須在不同的海拔建立營地，讓他們的身體適應變化的原因。大氣層的前 100 公里的成分，即組成保持不變，只有一個例外：地球上空約 20-40 公里的臭氧層。在臭氧層中，臭氧的濃度比大氣層其他部分更高（圖 15.3）。

氣體中的分子能夠自由移動。如果沒有任何力作用於氣體，它就會逃逸或永遠散開。重力將氣體分子拉向地球表面，靠近海平面時拉力更大。這意味著大氣氣體在海平面密度更大，那裡的重力更大。海平面的氣體也會受到上面大氣壓力的壓縮。作用在人肩上的大氣壓力相當於一噸以上。空氣重量作用在一個單位面積上的力被稱為大氣壓力，或氣壓。人類和動物不會被壓碎，因為我們體內分子的外推力抵消了這種壓力。氣壓來自四面八方，而不僅僅是從上面。

大氣在較高海拔處的大氣壓力較低，密度也較低。重力拉力較小，上面壓下來的氣體也較少。由於上面的重量較小，氣體膨脹，因此空氣更輕。每增加 6 公里（3.7 英里）的高度，氣壓就會降低一半。在海拔 5500 米（18000 英尺）處，氣壓略小於海平面的氣壓的一半。這意味著作用在該海拔高度的人肩上的空氣重量只有一半。在足夠高的海拔處，沒有剩餘的氣體。海拔 30 公里（19 英里）處的大氣密度僅為海平面密度的 1%。在距離地球表面 700 公里（435 英里）處，氣壓幾乎與深太空中的真空相同。

如果你曾經感到耳朵“砰”的一聲，你就經歷了氣壓的變化。這種情況發生在你快速升降海拔時，比如乘坐飛機或汽車上下山時。你的耳朵裡外都有氣體分子。當你快速改變海拔時，你的內耳會保持與原始海拔的分子密度一致。砰的一聲發生在你的耳朵裡的空氣分子突然透過你耳朵裡的一條小管子移動，使壓力平衡時。這種突然的空氣湧入會讓人感到砰的一聲。

地球上較冷、較乾燥的地方通常氣壓較高，而較溫暖、較潮溼的地方通常氣壓較低。這是因為大片空氣透過對流上下移動。氣壓也經常隨時間變化，因為低壓系統和高壓系統的位置會發生變化。當我們學習天氣時，將討論這些現象。

課程總結

如果沒有大氣，地球將是一個非常不同的星球。大氣中的氣體使植物能夠進行光合作用，動物和植物能夠進行呼吸。
水蒸氣是一種大氣氣體，是水迴圈的重要組成部分。
所有天氣都發生在大氣中。
雖然大氣中氣體的含量彼此之間沒有變化，但有一個例外：臭氧層。臭氧層位於高層大氣中，保護生命免受太陽高能量紫外線的輻射。
氣壓隨海拔、溫度和位置而變化。

複習問題

光合作用過程中使用什麼氣體，產生什麼氣體？呼吸作用過程中使用什麼氣體，產生什麼氣體？
簡述光合作用重要的兩個原因。
簡要描述水在水迴圈中的運動。
什麼是蒸騰作用？
如果大氣溼度增加會發生什麼？
風化作用在潮溼氣候還是乾燥氣候中更有效？
在俄勒岡州波特蘭市一個不尋常的 2 月份，氣溫為 18°C（65°F），天氣乾燥晴朗。波特蘭市的冬季氣候通常寒冷多雨。你如何解釋波特蘭冬季的暖和乾燥天氣？
溫室氣體在大氣中起著什麼重要的作用？
為什麼你在飛機上降落時耳朵會“砰”的一聲？
如果海平面的氣壓為一噸，而 5500 米（18000 英尺）的氣壓為半噸，那麼 11000 米（36000 英尺）的氣壓是多少？

詞彙

氣壓: 空氣壓在一個給定面積上的力。
海拔: 海拔高度。
氣候: 天氣的長期平均值。
凝結: 從氣體變為液體；就水而言，從水蒸氣變為液態水。
蒸發: 物質從液體變為氣體的狀態變化；就水而言，從液態水變為水蒸氣。
蒸騰作用: 植物向大氣散失水分。
溫室氣體: 在大氣中捕獲熱量的氣體；包括水蒸氣、二氧化碳、甲烷和臭氧。
地下水: 在地表以下發現的淡水。
溼度: 空氣中所含水蒸氣的量；通常指的是相對溼度，即空氣中所含水分相對於其所能容納的總水分的量。
惰性氣體: 通常不發生化學反應的氣體，沒有顏色、味道或氣味；包括氦、氖、氬、氙和氪。
臭氧: 由三個氧原子組成的分子；低層大氣中的臭氧是一種汙染物，但在高層大氣中，它可以過濾掉太陽最有害的紫外線輻射。
光合作用: 植物利用太陽能產生單糖（食物能量）的過程；光合作用過程將二氧化碳轉化為氧氣。
降水: 凝結的水分，包括雨、雨夾雪、冰雹、雪、霜或露水。
呼吸作用: 動物和植物使用氧氣併產生二氧化碳的過程；在呼吸作用中，生物體將糖轉化為它們可以利用的食物能量。
水蒸氣: 水的汽態形式。
天氣: 某個地區大氣層的暫時狀態；某個地方的天氣取決於空氣溫度、溼度、降水量、風速以及大氣層的其他特徵。

思考點

如果沒有大氣層，地球會有什麼不同？
大氣層中最重要的成分是什麼？
大氣層是如何隨高度變化的？

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