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第5章 我们生活在空气的海洋中

地球大气,是人类生存的基本条件。

地球大气的全部质量,约有5000万亿吨。大气团聚在地球的周围,离地面愈近愈密集,愈远则愈稀薄,形成了还可以再分出若干层次的大气圈层。

高度在100千米左右以下的地球大气,从高到低,由疏到密,相差很大,但成分一致,都是那种我们在地面上可以接触到并且时刻都在呼吸着的空气。

在空气中,以氮为主,其次是氧,如按体积计算,约78%是氮,约21%是氧。其他成分还有多种,但含量都很少,像二氧化碳是常可遇到的,仅占0.03%左右。空气的这种组成,适合人体的需要,人的生存没有氧气不行,少了也不行。

只是在地球上才有这种空气。木星、土星、天王星、海王星的大气都是以氢和氦为主,缺少氧气。火星和金星的大气中,二氧化碳的含量均在90%以上。空气中二氧化碳的含量超过1%,就会致人于死命。这种以二氧化碳为主的大气,人在其中根本不可能生存。

高度在100千米左右以上的地球大气,成分有很大的变化,大体上是从下到上以1000千米、2400千米的高度为界,分别依次变成以氧为主、以氦为主、以氢为主的大气层,并且都是以原子微粒的状态出现,非常稀薄,稀薄到比地面上的人造真空还要“空”。因此,尽管这些高层大气所占领的空间范围很广,有些研究者认为,最远可以到达离地面80000千米的高空,而且无明显的上部边界,但这部分大气所拥有的质量是很轻的,还不到全部地球大气质量的十万分之一。

全部地球大气质量的99.999%以上,集中在地球周围高度低于100千米左右的空间内,因此,也可以说地球的大气圈就是包围地球的空气层。我们人类就是住在这个空气层里面的地球上,颇有点像栖息在海底的鱼类。这就是说,我们人类离不开空气,就像鱼类离不开海水一样;我们人类习惯于承受空气压力就像鱼类承受海水压力一样。

尽管空气很轻,但由于压在地面上的空气层这样厚,空气的分量就相当可观了。在海平面这样的高度上,1升干燥空气的质量约为1.3克,而压在这里每平方米面积上的空气,从上到下,总共约重10吨!

地势升高,压在上面的空气层减薄,空气的密度也相应变小,在5千米的高度,1升干燥空气的质量只有0.7克左右。地面承受的大气压力相应地减轻,仅比海平面上所受的大气压力的二分之一稍多一点。不过,这种空气的密度和压力还能为人类所忍受,再往高处去,空气越发稀薄,气压越发降低,人类就很难长期在那里居住。比如说,登山运动员攀登海拔8848米高的珠穆朗玛峰,在达到一定高度以后,因大气中氧气奇缺,就必须吸入自己携带的氧气,正是这个道理。

空气能进行对流的大气的最低层——对流层,同我们的生活关系最为密切。它下贴地面,厚度约在8~16千米之间,地球南北两极地区的大气层较薄,赤道一带较厚,在它们中间的地区,厚度则处于中等。

对流层所占空间不大,但占有地球大气全部质量的75%左右,并含有将近13万亿吨水蒸气和以云雾等状态悬浮在大气中的水;在对流层之外的大气中,几乎就不含什么水分了。

对流层的底部,高度在5千米以下的一带,空气稠密,适于人类呼吸。特别是对流层中那些水分,约有90%集中在这里。

风云雷电、雨雪冰霜、寒潮热浪等的天气变化,都发生在对流层中,尤其是集中在它的底部。

在对流层以上,直到50千米的高度,是空气水平对流的大气中层——平流层。这一层次中水分极少,天气总是晴朗的,气流也很平稳。所以,当喷气式飞机越过对流层进入平流层以后,不管下面是什么天气,这里仍是晴空万里,机舱安稳得使人感觉不出飞机在动。平流层的气流运动比对流层弱,所以,从表面上看起来显得比较平静,实际上那里的大气还是在不断地运动和变化,并能对对流层中的天气现象产生影响。

在平流层以上,地球的大气还可以再分出若干层次,不过这些层次与我们人类的直接关系不太大就是了。

这些层层包围地球的大气,为我们人类在地球上创造了一个舒适而安全的环境。

那些贴近地面、含有水分并夹杂有许多尘埃的稠密空气,具有吸热保暖的作用。它们既可以拦截一部分太阳辐射来的热,使地面上不致在受到阳光照射时酷热不堪;又可阻挡地面的热向外散失,使那里在没有阳光照射时也不致很冷。月球和水星缺少这种条件,所以热起来可以热到二百多摄氏度,冷起来又可冷到零下一百多摄氏度。

在对流层上部,随着高度的增加,空气逐渐稀薄,所含水分和尘埃也逐渐减少,吸热保暖的作用也相应地减弱,加上在高空中从地面得到的热比在低处得到的要少得多以及其他一些因素,出现离地面愈高的地方气温愈低的这种变化。高山上的气温总是低于附近的平地,著名的避暑胜地庐山牯岭,7月平均气温是22.6℃,而山下的九江盆地的气温则高达29.6℃。我国西部许多高山顶上,还冷到了终年积雪的程度。但是这种气温随高度增加而降低的现象,在高度增加到进入平流层后就中断了。在平流层中,气温上下一致,因此过去曾把平流层叫做“同温层”。

空气分子以及悬浮在空气中的液体和固体微粒,如微小的水滴和尘埃,能使一部分太阳射来的光线发生折射或反射,改变前进的方向,四散分开。太阳光本是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色的光混合在一起的,其中蓝色光、青色光和紫色光较易被空气散射开来,而又以蓝色光散射得最多,我们常见天空呈现蓝色,就是这种阳光散射的效果;越过具有散射作用的稠密空气层,那里看到的天空就成为黑洞洞了。如果没有空气,地面上阳光不能直接照射到的地方,白天也会伸手不见五指。

早在半个世纪以前,探测者乘坐气球探空就已发现,随着气球的上升,所见到的天空颜色逐渐加深,以淡蓝、深蓝、紫色、紫黑直到成为黑色。一位目击者描绘他在18千米的高度上,看到上面的天空“犹如黑色的丝绒,略带深蓝之色”。

稀薄的大气,不能挡住阳光,使它散射形成有色的天空,却能阻挡那些来自天外、以高速冲向地球的固体碎屑,使它们中的绝大多数因与这些大气摩擦,产生高热,在100~200千米的高空,化为流星消逝。只有极少数“天外来客”能穿越大气层,坠落到地面上成为陨石或陨铁;它们的体积已因熔化碎裂而大大缩小,坠落速度也随之减慢,所以,一般不会在地面上造成灾害。例如1976年坠落在我国吉林省的陨石雨,就是大块陨石爆炸后的产物。

如果没有大气的保护,地球早就被那些高速冲来的石块、金属块砸出许多坑坑洼洼来了,地球就会像月球、火星表面那样堆满了粉尘和沙砾。

如果没有大气保护,地面上的生物还会被太阳辐射来的过多的紫外线所杀死。紫外线的绝大部分为大气中的臭氧所吸收,剩下的部分可以杀菌,但不伤人,对我们不仅无害,而且有益。这些臭氧主要分布在15~50千米高空的大气层中,这里被称为臭氧层。

地球的大气中,还含有一些由气体分子分解出来的带电粒子。它们的出现,主要由于在紫外线的作用下,气体分子产生了被称为电离的分解过程。在离地面60千米的高度以上、1000千米的高度以下的空间里聚集的带电微粒较多,所以这个空间层次被称为电离层。

电离层有挡住无线电波中的短波使它折回地面的作用,假使没有它,这些无线电波就会逃到太空中去,我们便收听不到电台的短波广播,也无法进行无线电通讯了。

地球的大气,是人类时刻不可缺少的。正是因为如此,人们在宇宙中航行时,要在飞船的密封舱中装进足够的空气,或者注入适量的纯氧,以保持舱中有一个使人能正常呼吸的环境。

宇航员登上月球或在太空中行走时,是靠密封的“宇宙服”得到人体所需要的气压和新鲜空气的。

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