第一章 大气
第一节 大气的组成
从人造卫星上观察地球大气，呈浅蓝色且透明。自地球形成以来，在46亿年的漫长而又曲折的演化过程中，大气的成分和结构有了很大的变化。它经历了原始大气、还原大气和氧化大气（现代大气）这三个阶段，目前以N2、O2为主要成分的大气已经是第三代了。大气是人类赖以生存和发展的主要自然环境条件之一，人类对环境的依赖程度之大，莫过于大气。离开食物，人可以存活5周；离开水，人可以存活5天；没有空气，人仅仅能存活5分钟。可见大气与人类的关系是多么密切。
一、干洁大气
（一） 概念 通常把不包括水汽的纯净大气称为干洁大气，简称干空气。
（二） 干洁大气的组成它的主要成分是氮气和氧气，约占干洁空气体积的99%（其中O2占20.95%、N2占78.08%、Ar占0.93%、CO2占0.03%），合计约占干洁空气体积的99.99%。其他稀有气体如Ne、He、Xe、H2、O3等的总和仅占0.01%。干洁大气以N2、O2、CO2、O3最为重要，与地球生物圈的关系最为密切。
1．氮气（N2）氮气是大气中最多的气体，它能起冲淡氧，使氧化作用不致过于激烈的作用。有的植物通过菌根的作用，可直接将大气中的氮改造为植物体内不可缺少的养料。
2．氧气（O2）氧气是大气中次多的气体，是地球上一切生命所必需的。氧还决定着有机物的燃烧、腐烂和分解过程，以及影响到在大气中进行的各种化学反应过程。
3．二氧化碳（CO2） （1）二氧化碳的来源主要来源于燃料的燃烧、有机物的腐烂分解和生物的呼吸作用。（2）二氧化碳的分布上述那些作用集中在大气底层，因此二氧化碳分布在大气底层20km的气层内。它的现有浓度约为0.033%（330ppm）。在20km高度以上，二氧化碳含量就显著减少了。大气中二氧化碳含量随时同和地点是不同的。大致在一年中是冬季多夏季少，夜间多白天少，城市及工业区多农村少。在大工业城市中，空气中的二氧化碳含量可达 0.05％，甚至0.07%。（3）二氧化碳的作用随着近代工业的发展，大气中二氧化碳含量逐渐增加。由于二氧化碳能强烈吸收地面辐射和放射长波辐射，它的增多将对地面和空气温度产生一定影响。大气中，二氧化碳是植物进行光合作用制造有机物质不可缺少的原料，它的增多也会对提高植物光合效率产生一定的影响。二氧化碳是一种重要的温室气体。《联合国气候变化框架公约》把温室气体定义为：“大气中能够吸收和重新放出红外辐射的自然的和人为的气体”。主要包括CO2、CH4、N2O、O3和CFCs（氟氯烃）等。前几种气体可以自然形成，也可以人为释放。CFCs则是人类工业活动的产物。温室效应（greenhouse effect）也称为花房效应。大气通过对辐射的选择吸收而防止地表热能耗散的效应。在晴空地区，大部分太阳短波辐射可以透过大气而被地表吸收，但地表发射的大部分长波辐射却被大气吸收，而又有一部分以长波辐射的形式发射回地面。这样，由于大气的存在，地表的辐射平衡温度将比它不存在时的辐射平衡温度高得多。大气的这种向下增强辐射的作用与温室玻璃物顶和四壁的作用有相似之处，故称为温室效应。 4．臭氧（O3） ①臭氧的形成氧分子在太阳紫外线作用下分解为氧原子，然后又与氧分子化合而成。 ②臭氧的分布它在大气中的含量极少，分布也极不均匀。从10km高度开始增加，在12—15km以上含量增加得特别显著，在20—30km高度处达最大值，再往上则逐渐减少，到55km高度上就极少了。造成这一现象的原因是由于在大气的上层中，太阳短波的强度很大，使得氧分子解离增多，因此氧原子和氧分子相遇的机会很少，即使臭氧在此处形成，由于它吸收一定波长的紫外线，又引起自身的分解，因此在大气上层臭氧的含量不多。在20—30km高度这一层中，既有足够的氧分子，又有足够的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜条件，故这一层又称臭氧层。在低于这一层的空气中，太阳短波紫外线大大减少，氧分子的分解也就大为减弱，所以氧原子数量减少，以致臭氧形成减少。 ③臭氧的作用 臭氧能大量吸收紫外线，使臭氧层增暖。大气臭氧层在标准大气状况下仅为3mm厚，象一把巨大的保护伞，屏蔽着太阳辐射中有害的紫外线，保护着地球上人类与所有生物的生存和世代繁衍。臭氧是1839年首先在实验室被发现的，随后，臭氧被证明能强烈吸收紫外线辐射。科学家经过多年的研究，证实大气平流层中的氯并非天然生成，而是人类通过生产和生活中产生的含氯化合物向大气输送氯原子，通过光化学反应加剧了臭氧消亡过程的速度。 ④破坏臭氧的物质 如今，人们知道破坏臭氧层的主要罪魁祸首氟氯碳，自30年代面世以来被广泛用作冰箱、冷冻机、空调等制冷设备中的制冷剂，聚氨酯泡沫和聚乙烯/聚苯乙烯泡沫中的发泡剂，气雾剂制品中的推进剂，电子线路板、精密金属零部件等的清洗剂，烟丝的膨胀剂等。另一主要罪魁祸首哈龙则主要用作灭火系统或手提灭火器中的灭火剂。据测定，每一个氯原子可以破坏成千上万个臭氧分子。迄今，此类化学物质在大气中的含量已达2000万吨。（然而人类工业活动排放的许多化学物质，尤其是空调制冷、塑料发泡、电子器件清洗、致雾剂以及消防器材中氟里昂广泛使用，对大气臭氧层有巨大的破坏作用。） ⑤国际保护臭氧层日 1985年，世界一些国家在奥地利签署了《保护臭氧层维也纳公约》。1987年在加拿大蒙特利尔签定了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，决定限制氟氯烃的生产和使用。这个《议定书》和1991年的伦敦修正案、1992年的哥本哈根修正案一起，要求各国2000年全面禁止使用氟氯烃。目前，《议定书》缔约方已达168个。 1994年第52届联合国大会还把《议定书》签字日（9月16日）定为“国际保护臭氧层日”。 1998年的活动主题是“为了地球上的生命，请购买有益臭氧层的产品”。 1999年活动主题为“拯救我们的蓝天，请爱护臭氧层”。爱护臭氧层，就是要求我们每个人采取实际行动来减少和消除所购买的产品（含公司采用的生产公艺）对大气臭氧层的破坏。 2000年活动主题为“拯救我们的天空：保护你自己，保护臭氧层”。它提醒我们，我们的星球以及我们的命运掌握在我们自己的手中。 2004年活动主题为“拯救蓝天，保护臭氧层：善待我们共同拥有的星球” 。 ⑥破坏臭氧层的危害 大气臭氧层总量的减少可使人类皮肤癌、白内障患者增加，人体的免疫力下降，农作物产量减少和质量下降，陆地和浅海中的生物生长受到影响，发生变异，危及人类及所有地表生态体系。此外，臭氧还是一种具有红外辐射活性的温室气体，它的变化必将影响到全球气候变化，最终将对人类的生存环境造成巨大影响。 随着以CO2为主体的温室气体浓度的增加，温室效应加剧，全球气候呈变暖趋势（global warming）。许多科学家警告说，若不采取措施，到2050年地表平均温度将上升1℃，到下世纪末升高3℃，可能导致下世纪末海平面上升60厘米—100厘米，从而对全球沿海城市和数十个小岛造成严重威胁。
