与地球一起诞生的原始大气, 大约只历时 9000 万年就被太阳风扫除了。不久, 地球内部的挥发性物质向地表大量泄漏出来。 这就是地质学家所说的脱气过程。 这些挥发性物质, 主要是二氧化碳、 甲烷、 水汽、 一氧化碳、 氨、氮、 硫化氢等气体。 这些气体组成了次生大气。 除了zui轻的气体外, 地球的重力足以把这些气体 “拴住冶。 使它们不致逃逸到星际空间去。大约又过了十多亿年, 地表开始冷却, 稠密大气中的水汽凝结成雨降落下来, 向坑坑洼洼的地方汇聚, 形成zui早的江河湖泊, 即原始水圈。 以后火山不断地爆发, 排出的大量水汽又变成雨水回归地面。 经过漫长年代的变迁, 原始水圈逐渐扩展为现在的*大海和湖河沼泽。 次生大气中的二氧化碳和其他气体, 逐渐被雨水融解降落到地面, 再渗入地下, 储存于地壳中。上面说过, 原始大气是在地球形成的过程中, 由于重力场的作用, 把原始太阳星云中的一部分气体吸引到地球周围造成的。
这个大气圈的组成与现代大气圈的组成大不相同, 它没有氧, 没有氮, 也没有二氧化碳, 而是由
氢、 氧、 氦、 氖、 氨、 氩、 甲烷、水汽等共同组成的。原始大气的量很大。 单是氢一项, 就相当于现在构成固态地球的四个基本要素, 即镁、 硅、 铁和氧的总量的 400 倍之多。 然而, 有趣的是, 原始大气在地球形成后, 不久就消失殆尽了。 这是因为那时地球内部的铁核心尚未形成,地球还没有磁场, 强劲的太阳风把没有地球磁场保护的原始大气 “吹跑了。
因此, 在地球历史的早期, 一度没有大气。以后, 在漫长的岁月里, 大气经过复杂的生消过程, 又进一步演化。 演化中的造气过程包括: 淤火山活动, 以及通过造岩物质融化后的结晶和凝固时释出的气体; 于水汽的光致离解产生氧; 盂光合作用产生氧; 榆放射性元素铀和钍的衰变产生氦; 虞在太阳风中, 主要由质子和电子组成的高温电离气体, 有极小一部分冲破地球磁场的屏障, 进入次生大气的高层。 演化中有一系列的除气过程, 如高层大气的氢和氦挣脱地球引力进入宇宙空间, 氢、 铁、 一氧化碳、碳酸盐类 (硫) 等元素氧化时消耗氧, 通过空气中氧化物的形成, 以及在土壤中变成消化细菌而消耗氮。次生大气的形成, 又为水的分解和动植物的产生创造了条件。 原始绿色植物参与了改造大气的复杂过程。 植物在光合作用中放出游离氧。 水的离解也产生氧。 氧的化学性质非常活泼, 能和次生大气中的所有其他分子发生缓慢氧化。如它能与 CO 生成 CO2, 与甲烷反应生成 CO2和 H2O。 于是, CO2渐渐多起来。光合作用又使有生命的细菌生成藻类, 利用太阳辐射能从周围环境中摄取有机物, 进行简单的新陈代谢作用, 吸收大气中的 CO2, 释放出大量的氧。另一方面, 当动植物繁茂以后, 它们的排泄物和腐烂物质中的蛋白质, 一部分直接分解为氮, 另一些则成为氨和铵盐, 通过硝化细菌和脱氧细菌等作用,变成了气体氮。 氮在常温下的化学性质很不活泼、 不易与其他元素化合, 所以能在大气中积累, 成为含量zui丰富的成分。 就这样, 次生大气就演变为以氮、氧为主的现代大气。
大气中, 除水汽、 液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气。 干洁的大气是无色、 无臭无味的混合气体。 它看不见, 摸不着, 却有惊人的重量。大气中含量zui多的成分是氮, 按体积比占 78%。 大气中的氮能冲淡氧, 使氧不致太浓, 氧化作用不过于激烈。 在常温下, 分子氮的化学性质不活泼, 人和动物不能直接利用它, 但植物的生长却离不开它。 氮是植物制造叶绿素的原料, 也是制造蛋白质的原料。 氮还是制造化学肥料的原料。 豆科植物可通过根瘤菌的作用, 将氮固定到土壤中, 成为植物生长所需的氮肥。
大气中含量排在第二位的是氧。 氧是人类及其他动植物呼吸、 维持生命*的气体。 此外, 氧还决定着有机物质的燃烧及分解过程。大气中的氧分子分解为氧原子, 每个氧原子又与另外的氧分子结合就形成了另外一种气体———臭氧, 因其有一种特殊的臭味而得名臭氧。 臭氧通常呈浅蓝色。 在常压下, 当温度降至-112郾 4益时, 臭氧气体就变为暗蓝色的液体。 当温度降至-251郾 4益时, 它就凝固成紫黑色的晶体。
大气中臭氧的含量很少, 而且随着高度的变化而变化。 在近地面层臭氧含量很少, 从 10 千米高度开始逐渐增加, 在 12 ~15 千米以上含量增加特别显著,在20 ~25 千米高度处达zui大值, 再往上, 臭氧的含量逐渐减少, 到55 ~60 千米高度上就极少了。在水平方向上, 臭氧的分布也有所不同。 赤道和低纬度的臭氧含量zui少,随着纬度的增高, 臭氧含量也增加。 臭氧也有季节变化和日变化。 北半球高纬度地区, 春季臭氧含量zui大, 秋季zui小。臭氧能大量吸收太阳紫外线, 使极少量的紫外线到达地面, 使地面上的生物免受过多紫外线的伤害。少量的紫外线能杀菌防病, 促进机体内维生素 D 的形成, 有利于机体增大和防止佝偻病。二氧化碳是无色、 无臭、 无味的气体。 燃料的燃烧, 有机物的腐化以及动、植物的呼吸都产生二氧化碳。 同时, 二氧化碳又是植物在光合作用下生长的原料。 绿色植物在新陈代谢过程中, 吸收 CO2合成碳水化合物和其他物质。二氧化碳对太阳辐射吸收很少, 却能强烈吸收地面辐射, 使从地表往外辐射的热量不易散失到太空中去。大气中的水汽主要来自海洋、 湖泊、 河流和潮湿物体表面的水分蒸发。海洋面积约占地球表面积的 70%。 平均而言, 整个海洋表面每年约有 100厘米厚的水层转化为水汽, 全年由海洋蒸发到空中的水汽达 350 万亿吨之多;
陆地上的河流湖泊、 地面上的动植物都在向大气输送水汽。空气中的水汽含量随高度变化而变化。 一般说来, 水汽含量聚集在距地面3 千米范围内, 高度越高, 水汽越少。 观测证明, 在 1郾 5 ~2 千米高度上, 空气中水汽含量已减少为地面的一半; 在5 千米高度, 减少为地面的1/10; 再往上,就少得可怜了。 就地理分布而言, 纬度越高, 水汽含量越少, 离海洋愈远, 水汽含量愈少。 在寒冷干燥的内陆地区上空, 水汽含量几乎接近于零, 而在温暖的洋面或热带丛林上空, 其含量按容积来说可达 4%。海洋和大陆表面的水蒸发成水汽进入大气被气流带至远处, 又产生降水重新回到地球表面。 其中, 有 3/4 的降水落到海洋上, 剩下的 1/4 则降落在大陆上。 就形成了持续不断的地球和大气的水分循环。 全年的降水量和蒸发量大致相等。 通过大气中水分的蒸发、 凝结、 成云致雨、 落雪降雹, 使地球与大气间的热量和水分得到交换, 天空也变幻多端, 时晴时雨。大气中悬浮着各种各样大小不同的固体杂质和液体微粒。固体杂质的来源有自然因素和人为因素。
自然因素包括被风吹起的土壤微粒及火山喷发的烟尘, 宇宙尘埃和陨石灰烬, 细菌、 微生物、 植物的孢子花粉,岩石风化后的粉尘, 海水飞溅扬入大气后被蒸发的盐粒等等。 人为因素主要人类活动和工业生产过程中排放的烟粒和粉尘等。 它们大多集中在大气的底层。其分布随着时间、 地区和天气条件的变化而变化。 一般, 在近地面大气中, 陆上多于海上, 城市多于乡村, 冬季多于夏季。液体微粒是指悬浮在大气中的水滴、 过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。 它们和固体颗粒都可以吸收一部分太阳辐射和阻挡地面放热。 它们可以阻碍视线,降低能见度、 污染空气, 影响人类活动和危害人类健康。 但是, 它对云雾降雨却起着重要作用, 它是水汽凝结的核心。 没有它, 即使大气环境已达到饱和状态, 水汽还是不能凝结成云雾。 人工降雨, 就是利用了上述原理, 把碘化银撒入云中, 就会促使过冷水滴冻结, 产生局部降雨。 碘化银的作用就类似于悬浮颗粒, 它提高了水滴冻结的温度, 在降水中起了催化作用。
