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氣，占78．1％；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。
　　整個大氣層隨高度不同表現出不同的特點，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。
　　對流層在大氣層的最底層，緊靠地球表面，其厚度為10—20千米。對流層的大氣受地球影響較大，云、霧、雨等現象都發生在這一層內，水蒸氣也幾乎都在這一層內存在。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、植物的生存，人類的絕大部分活動，也在這一層內。因為這一層的空氣對流很明顯，故稱對流層。
　　對流層以上是平流層，大約距地球表面20—50千米。平流層的空氣比較穩定，大氣是平穩流動的，故稱為平流層。在平流層內水蒸氣和塵埃很少，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，空氣的垂直對流強烈。
　　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太陽光照射時，太陽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，還有兩個特殊的層，即臭氧層和電離層。
　　臭氧層距地面20—30千米，實際介于對流層和平流層之間。這一層主要是由于氧分子受太陽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光的紫外線照射，電離成帶電荷的正離子和負離子及部分自由電子形成的。電離層對電磁波影響很大，我們可以利用電磁短波能被電離層反射回地面的特點，來實現電磁波的遠距離通訊。
　　二
　　大氣對浸在它里面的物體產生的壓強叫大氣壓強，簡稱大氣壓或氣壓。大氣壓是初中物理教學中一個重要的物理概念。大氣壓產生的原因是空氣也像液體那樣受到重力作用，它的主要特點是:因為空氣具有流動性，所以大氣內部向各個方向都有壓強。在同一位置，大氣向各個方向的壓強也相等。在不同的季節，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.大氣壓隨地勢高低的變化
　　從微觀角度看，決定氣體壓強大小的因素主要有兩點：一是氣體的密度ρ；二是氣體的熱力學溫度T。在地球表面隨地勢的升高，地球對大氣層氣體分子的引力逐漸減小，空氣分子的密度減小，同時大氣的溫度也降低。所以在地球表面，隨地勢高度的增加，大氣壓的數值是逐漸減小的。在2千米以下，大氣壓值可近似認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。即在相同的物理條件下，干空氣的壓強比濕空氣的壓強大。
　　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和極地半徑的減小，地球對大氣的吸引力逐漸增大，空氣密度增大，另一方面由于兩極地區溫度較低，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律)。
　　3.大氣壓的日變化
　　對于同一地區，在一天之內的不同時間，地面的大氣壓值也會有所不同，這叫大氣壓的日變化。一天中，地球表面的大氣壓有一個最高值和一個最低值。最高值出現在9∶00—10∶00時。最低值出現在15∶00—16∶00時。引起大氣壓日變化的原因主要有三點：一是大氣的運動；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。當溫度升高后，大氣逐漸向高空做上升輻散運動，在下午15∶00—16∶00時，大氣上升輻散運動的速度達最大值，同時大氣的濕度也達較大值，由于此二因素的影響，導致一天中此時的大氣壓最低。16∶00以后，大氣溫度逐漸降低，其濕度減小，向上的輻散運動減弱，大氣壓值開始升高；進入夜晚；大氣變冷，開始向地面輻合下降，在9∶00—10∶00時，大氣輻合下降壓縮到最低限度，空氣密度最大，此時的大氣壓是一天中的最高值。
　　4.大氣壓的年變化
　　同一地區，在一年之中的不同時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律。下面對此略作分析(另外兩種情況不作討論)。
　　由于大氣處于地球周圍一個開放沒有具體疆界的空間之內，這就使它與密閉容器中的氣體有著很多區別。夏天，大陸中的氣溫比海洋上高，大氣的濕度也比較大(相對冬天而言)，這樣大陸上的空氣不斷向海洋上擴散，因而其壓強減小。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：“晴天的大氣壓比陰天高。”反映的就是大氣壓的這一變化規律。
　　通常情況下，地面不斷地向大氣中進行長波有效輻射，同時大氣也在不斷地向地面進行逆輻射。晴天，地面的熱量可以較為通暢地通過有效輻射和對流氣層的向上輻散運動向外輸運。陰天時，云層減少了對流層大氣向外的輻散運動。云層這種保存地表和對液層熱量的作用稱為“溫室效應”。這樣，陰天地區的大氣膨脹就比較厲害，從而導致陰天地區的大氣橫向向外擴散，使空氣的密度減小，同時陰天地區大氣的濕度比較大，也使大氣的密度減小。因為這兩個因素的影響，所以陰天的大氣壓比晴天的大氣壓低。