大气层与大气压的变化

　　一

　　地球周围包围着一层厚厚的空气，叫大气层或大气，大气层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气，占78．1％；氧气，占20．9％；氢气，占0．93％；还有少量的二氧化碳、氦气、氖气、氪气、氙气和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限。

　　整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层，再上面就是星际空间。

　　对流层在大气层的最底层，紧靠地球表面，其厚度为10―20千米。对流层的大气受地球影响较大，云、雾、雨等现象都发生在这一层内，水蒸气也几乎都在这一层内存在。这一层的气温随高度的增加而降低，大约每升高1000米，温度下降5―6℃。动、植物的生存，人类的绝大部分活动，也在这一层内。因为这一层的空气对流很明显，故称对流层。

　　对流层以上是平流层，大约距地球表面20―50千米。平流层的空气比较稳定，大气是平稳流动的，故称为平流层。在平流层内水蒸气和尘埃很少，并且在30千米以下是同温层，其温度在－55℃左右。

　　平流层以上是中间层，距地球表面50―85千米。这里的空气很稀薄，突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，空气的垂直对流强烈。

　　中间层以上是暖层，距地球表面100―800千米。暖层最突出的特征是当太阳光照射时，太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收，因此温度升高，故称暖层。

　　散逸层在暖层之上，由带电粒子所组成。

　　除此之外，还有两个特殊的层，即臭氧层和电离层。

　　臭氧层距地面20―30千米，实际介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子受太阳光的紫外线的光化作用造成的，使氧分子变成了臭氧。

　　电离层很厚，大约距地球表面80千米以上。电离层是高空中的气体被太阳光的紫外线照射，电离成带电荷的正离子和负离子及部分自由电子形成的。电离层对电磁波影响很大，我们可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点，来实现电磁波的远距离通讯。

　　二

　　大气对浸在它里面的物体产生的压强叫大气压强，简称大气压或气压。大气压是初中物理教学中一个重要的物理概念。大气压产生的原因是空气也像液体那样受到重力作用，它的主要特点是:因为空气具有流动性，所以大气内部向各个方向都有压强。在同一位置，大气向各个方向的压强也相等。在不同的季节，不同的气候条件和地理位置等条件下，地球上方大气压的值有所不同。

　　1.大气压随地势高低的变化

　　从微观角度看，决定气体压强大小的因素主要有两点：一是气体的密度ρ；二是气体的热力学温度T。在地球表面随地势的升高，地球对大气层气体分子的引力逐渐减小，空气分子的密度减小，同时大气的温度也降低。所以在地球表面，随地势高度的增加，大气压的数值是逐渐减小的。在2千米以下，大气压值可近似认为随地理高度的增加而线性减小；在2千米以上，大气压值随地理高度的增加而减小渐缓。所以过去在初中物理教材中有介绍：在海拔2千米以下，可以近似地认为每升高12米，大气压降低1毫米汞柱。

　　2.大气压随地理纬度的变化

　　地球表面大气层里的成分，变化比较大的就是水汽。人们把含水汽比较多的空气叫“湿空气”，把含水汽较少的空气叫“干空气”。有些人直觉地认为湿空气比干空气重，这是不正确的。干空气的平均分子量为28.966，而水气的分子量只有18.106，所以含有较多水汽的湿空气的密度要比干空气小。即在相同的物理条件下，干空气的压强比湿空气的压强大。

　　在地球表面，由赤道到两极，随地理纬度的增加，一方面由于地球的自转和极地半径的减小，地球对大气的吸引力逐渐增大，空气密度增大，另一方面由于两极地区温度较低，空气中的水汽较少，可近似看成干空气，因此由赤道向两极，随地理纬度增加，大气压总的变化规律是逐渐增大(因气候等因素影响，局部某处的大气压值变化可能不遵循这一规律)。

　　3.大气压的日变化

　　对于同一地区，在一天之内的不同时间，地面的大气压值也会有所不同，这叫大气压的日变化。一天中，地球表面的大气压有一个最高值和一个最低值。最高值出现在9∶00―10∶00时。最低值出现在15∶00―16∶00时。引起大气压日变化的原因主要有三点：一是大气的运动；二是大气温度的变化；三是大气湿度的变化。

　　日出以后，地面开始积累热量，同时地面将部分热量输送给大气，大气也不断地积累热量，其温度升高，湿度增大。当温度升高后，大气逐渐向高空做上升辐散运动，在下午15∶00―16∶00时，大气上升辐散运动的速度达最大值，同时大气的湿度也达较大值，由于此二因素的影响，导致一天中此时的大气压最低。16∶00以后，大气温度逐渐降低，其湿度减小，向上的辐散运动减弱，大气压值开始升高；进入夜晚；大气变冷，开始向地面辐合下降，在9∶00―10∶00时，大气辐合下降压缩到最低限度，空气密度最大，此时的大气压是一天中的最高值。

　　4.大气压的年变化

　　同一地区，在一年之中的不同时间其大气压的值也有所不同。这叫大气压的年变化。大气压的年变化，具体又分为三种类型，即大陆型、海洋型和高山型。其中海洋型大气压的年变化刚好与大陆型的相反。通常所说的“冬天的大气压比夏天高”，指的就是大陆型大气压的年变化规律。下面对此略作分析(另外两种情况不作讨论)。

　　由于大气处于地球周围一个开放没有具体疆界的空间之内，这就使它与密闭容器中的气体有着很多区别。夏天，大陆中的气温比海洋上高，大气的湿度也比较大(相对冬天而言)，这样大陆上的空气不断向海洋上扩散，因而其压强减小。到了冬天，大陆上气温比海洋上低，大陆上的空气湿度也较夏天小，这样海洋上的空气就向大陆上扩散，使大陆上的气压升高。这就是大陆上冬天的大气压比夏天高的原因(大气温度也是影响大气压的一个因素，但在这里决定大气压变化的因素不是气温，而是大气的流动和密度)。

　　5.大气压随气候的变化

　　大气压随气候变化的情况比较多，但最为典型的就是晴天与阴天大气压的变化。有句谚语：“晴天的大气压比阴天高。”反映的就是大气压的这一变化规律。

　　通常情况下，地面不断地向大气中进行长波有效辐射，同时大气也在不断地向地面进行逆辐射。晴天，地面的热量可以较为通畅地通过有效辐射和对流气层的向上辐散运动向外输运。阴天时，云层减少了对流层大气向外的辐散运动。云层这种保存地表和对液层热量的作用称为“温室效应”。这样，阴天地区的大气膨胀就比较厉害，从而导致阴天地区的大气横向向外扩散，使空气的密度减小，同时阴天地区大气的湿度比较大，也使大气的密度减小。因为这两个因素的影响，所以阴天的大气压比晴天的大气压低。