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同學們好！今天我們要講《大氣圈與氣候系統(tǒng)》。
第一個專題呢，先讓我們來更詳細了解一下大氣圈的結構。
大氣圈是地球最外部的圈層，也是地球所有各圈層中最活潑，最不穩(wěn)定，變化最快的圈層之一。受到其它四個圈層的直接作用與影響，與生命活動有最密切的關系，直接影響著人類的生存條件和各種活動。氣候系統(tǒng)中其它圈層變化產生的最后影響結果都會反映在大氣圈中，因而是氣候系統(tǒng)的中心。要看出地球大氣圈的重要性，最好是比較一個沒有大氣圈但又與地球位置非常接近的星體。那大家自然而然就想到了月球。
月球沒有大氣層，也就沒有雨，沒有空氣和雨水的腐蝕，月球表面的巖石不會風化，不管多少年都保持著原樣，沒有大氣層，就沒有風，月球上的灰塵不會被吹起。所以，阿姆斯特朗在月球上的腳印估計能保存到月球滅亡。沒有大氣層，隕石靠近月球時不會在大氣層中燃燒掉，只會直接撞向月面，導致月球表面的環(huán)形山特別多、特別大。沒有大氣層，聲音也無法在月面上傳播。月球晝夜溫差非常大，白天太陽直射的時候溫度可高達127攝氏度，而夜間又會下降至零下183攝氏度。所以，大氣圈對于我們非常重要。
正如我們前面的課程所介紹的，地球大氣圈有非常明顯的垂向結構，分成對流層、平流層、中間層，熱層和散逸層。地球大氣的總質量主要集中在大氣圈的底部，其中一半集中在0~5km高度范圍內。大氣圈頂部逐步過渡為星際空間分布密度極小的星際氣體。大氣圈最外面的界限距離地面有2000~3000km。這真可謂是不知天高地厚呀！除此之外，大氣圈在水平方向上也存在著非均一現(xiàn)象，這是因為太陽直射和斜射所造成的。我們下面主要介紹與我們人類社會活動最密切相關的對流層，還有平流層之上的一個電離層。
對流層是大氣圈的最下一層，平均厚度為10km左右，夏季厚度大于冬季。雖然對流層厚度不到大氣圈的1％，但集中了大氣質量的3／4，大氣水汽的90％。主要天氣現(xiàn)象如云、霧、雨、雪、冰雹都在該層形成。水平方向上的物理屬性比較均勻的巨大空氣塊，稱做氣團，我們這里所指的物理屬性包括溫度、濕度、穩(wěn)定度等。該水平范圍可達數(shù)百萬平方公里以上，垂直尺度可達幾公里到十幾公里以上。我們可以根據(jù)它們溫度的差異分為熱氣團和冷氣團兩種；兩種不同性質的氣團相遇的時候，它們之間會形成一個過渡區(qū)，這里的氣象要素值會發(fā)生急劇變化，稱為鋒區(qū)。鋒區(qū)與地面的交線稱鋒線。由于鋒區(qū)的厚度與氣團尺度相比要小得多，因而把它視為一個面，稱為鋒面。
在大氣層60千米以上的區(qū)域，整個地球大氣層處于部分電離或完全電離的狀態(tài)。能使無線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射。1899年，尼古拉·特斯拉就是開始嘗試使用電離層來進行遠舉例的無線能量傳送。后來還主要用于短波收音機。在大氣圈外層，雖然太陽紫外線比較強，但氣體過于稀薄，電離現(xiàn)象難以發(fā)生。大氣圈的內層雖然空氣比較稠密，但到達那里的紫外線因受上層大氣的吸收致使強度太弱，電離現(xiàn)象也不明顯，所以只有在一定高度上，氣體足夠稠密而紫外線又有相當?shù)膹姸?，才能電離形成密度較高的游離電子，高空氣體幾乎不發(fā)生對流，所以空氣主要組分氧氣、氮氣以及陽光輻射激發(fā)分解出的氧原子和氮原子分別按其比重呈層狀分布，相應地，電離密度也是呈層狀分布的。
在大氣圈中，N2占78%，O2占21%，其實還有一個惰性元素氬（Ar）占0.93%，這幾種氣體既不吸收也不沒有熱輻射；CO2，CH4，N2O和O3等痕量氣體雖然只占大氣總體積混合比的0.1%以下，但會吸收和放射輻射，在地球能量收支中起基本作用，對地球氣候有重大影響，所以我們在氣候變化中，非常關注這些氣體的濃度，特別是濃度的增加。有人可能會問，水汽（H2O）不是最強的溫室氣體嗎？是的，水汽的確是最強的溫室氣體，還可通過相變轉化成水滴、云滴與冰晶，對地球氣候影響也非常大。但是，我們要知道，與其他氣體不同，水汽可以簡單地通過相變進出大氣圈，并沒有穩(wěn)定的混合比，充其量只是對氣候變化起推波助瀾的作用，而不是決定性的作用。其他幾種溫室氣體，一旦進入大氣圈，要減少它們則是一個相當復雜而漫長的生物地球化學循環(huán)過程。
剛才說了，臭氧是一種溫室氣體，對流層和平流層之間的臭氧層吸收太陽紫外輻射，在平流層的輻射平衡中起著重要作用；我們曾經說到南極洲上空臭氧層的空洞呀，都非常擔心，也是人類破壞大氣化學的一個重要案例。這里顯示的這張圖，是2015年9月英國利茲大學的科學家在《科學》雜志上所發(fā)表的一篇文章的插圖。該文指出，南極洲上空臭氧層空洞近些年來出現(xiàn)了恢復跡象。這要感謝1987年簽訂的《蒙特利爾議定書》，人類的這一努力持續(xù)了近30年，現(xiàn)在看來，環(huán)境政策確實發(fā)揮了作用。另外，懸浮的固態(tài)、液態(tài)氣溶膠與云層以極其復雜的方式，同入射太陽輻射和射出長波輻射盡心相互作用，影響地球的氣候變化，也正日益引起人們的關注。
為了便以理解后面的問題，我們先來了解幾個概念。這些概念也許你們在物理化學這門課中會學習到，我們這里只是簡單提一下。自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對零度（-273℃），就存在分子和原子無規(guī)則的運動，其表面就不斷地有熱輻射。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布，我們這張圖上顯示的就是不同電磁波的譜分布范圍。這種譜分布與物體本身的特性，特別是溫度極其相關，因而被稱為熱輻射。我們后面會看到，紅外成像設備能探測到這種紅外線，反映物體表面的紅外輻射場，即溫度場。同時，任何物體還都具有不斷吸收和反射電磁波的能力，那么這些物性對于我們研究該物體本身的輻射是有干擾的。所以物理學家們就定義了一種理想的物體黑體，以此作為熱輻射研究的標準物體。所謂黑體，指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射，只有黑體本身的向外輻射。黑體輻射簡單說來就是熱平衡物體的輻射譜，其輻射的譜，同物質是什么種類沒有關系，只與輻射物質的溫度有關。雖然叫黑體，但黑體并不是說它必須是黑色的，二者幾乎沒有什么聯(lián)系。例如太陽為熾熱的氣體星球，也不是黑色的，但我們完全可以認為射向太陽的電磁輻射是很難被反射回來的，所以我們在研究中就可以認為太陽是一個黑體。當然，絕對黑體是不存在的。
一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，溫度越高，輻射出的總能量越大，短波成分也就越多。這樣的規(guī)律，我們一般用兩個定律來描述，一個是維恩位移定律，也就是說，溫度越高，輻射譜線最強波段的波長越趨近短波長；反之亦然。還有一個叫做斯特凡-波茲曼定律，溫度越高，黑體輻射發(fā)出的能量通量就越高。
維恩位移定律在實際中有非常豐富的應用，具體表現(xiàn)為熱象圖，也就是通過比較物體表面不同區(qū)域的顏色變化情況，來確定物體表面的溫度分布。比如，小尺度來講，可以用來監(jiān)測人體某些部位的病變，大尺度上，可用于遙感中監(jiān)測森林防火。目前，熱象圖的應用范圍日益廣泛，在宇航、工業(yè)、醫(yī)學、軍事等方面應用前景非常好。
自然界中的太陽光是復色光，人工制造的日光燈、白熾燈等所發(fā)出的光也是復色光。所以，復色光不單單指太陽發(fā)出的白光，但白光一定是復色光。為了能識別復色光中各種波長（或頻率）的光，我們一般用三棱鏡來區(qū)分，因為不同波長的光在介質中有著不同的折射率，最終的出射光出現(xiàn)色散現(xiàn)象，投映出連續(xù)的或不連續(xù)的彩色光帶。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個波長范圍內的電磁輻射被稱作可見光。
人眼能看到的顏色。是不是一種顏色對應一種波長呢？如果是這樣，那么為什么紅色兌綠色，可兌出黃色呢，紅綠藍混合可以兌出白色？紅、綠、藍就是我們所說的色光三原色，如左邊這張圖所示，我們的三原色還可以兌出更多的顏色組合，電腦顯示器的眼里就是采用RGB輸出。除色光三原色外，還有另一種三原色，稱顏料三原色。因為顏料吸收光線，而不是將光線疊加，因此顏料的三原色就是能夠吸收紅綠藍的顏色，也就是其補色，分別為青、品紅、黃，俗稱CMYK，也就是我們的噴墨打印機墨水顏色的組合。
那么，究竟什么是顏色？其實顏色就是我們人類大腦在可見光范圍內對不同光譜的識別和認識。據(jù)說人類可以分辨約1千萬種顏色。其實，人類的視覺能識別的顏色，比光譜更豐富，譬如女生最喜歡的粉紅色，還有其他的諸如褐色，雖然人類能夠輕易識別，但光譜就沒有包含這些顏色，所以光譜和顏色是有區(qū)別的。也就是說，某種顏色并不一定能找到對應的光譜，更可能是多種光譜的組合，也就是說，它是復色光，而且可能有無窮多種疊加方法可以讓人感受到這種粉紅色。
前面說到，光譜的組合所產生的顏色讓我們感受到了這個色彩豐富的世界。接下來，我們的問題是：為什么晴朗的白天是藍色的，要回答這個問題，我們先要學習一個定律——瑞利散射，該定律說，半徑比光的波長小很多的微粒會對入射光進行散射，散射光的強度和入射光波長λ的4次方成反比。也就是說，在天空中的可見光中，波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射。這是我們在地面看到的情況，而且在雨過天晴或秋高氣爽時，空中較粗微粒較少，主要以分子散射為主，在大氣分子的強烈散射作用下，蔚藍色彌漫天空。設想一下，如果我們能乘坐飛船順著大氣層繼續(xù)垂直抬升，可能會發(fā)現(xiàn)一系列變化，大氣密度隨高度急劇降低，大氣分子的散射效應也相應減弱，天空的顏色也會隨高度的增加由蔚藍色變?yōu)榍嗌@出現(xiàn)在約8公里的地方、然后在約11公里處是暗青色、13公里處是暗紫色、21公里處是黑紫色，再往上，空氣非常稀薄，大氣分子的散射效應極其微弱，天空便為黑暗所湮沒。可以說，瑞利散射的結果，減弱了太陽投射到地表的能量。
同樣的道理，可以解釋海水的顏色。在清潔的大洋水中，懸浮顆粒少，粒徑小，分子散射起著主要的作用，其散射服從瑞利散射定律,呈深藍色。
而當日落或日出時，太陽光在大氣中要走相對很長的路程，我們所看到的直射光中的波長較短，藍光大量都被散射了，只剩下紅橙色的光，這就是為什么日落時太陽附近呈現(xiàn)紅色，而云也因為反射太陽光而呈現(xiàn)紅色，但天空仍然是藍色的。
好了，這一部分的內容結束了。我們其實在本節(jié)內容中，除了介紹大氣圈的結構之外，還附帶介紹了大氣圈中的一些自然現(xiàn)象，希望對大家有用，再見。
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