大氣的組成和垂直分層練習(xí)

大氣的組成和垂直分層練習(xí)大氣，這層包裹著地球的無(wú)形外衣，不僅為地球上的生命提供了生存的基石，更在塑造地球氣候、維持生態(tài)平衡中扮演著至關(guān)重要的角色。理解大氣的組成及其垂直方向上的分層結(jié)構(gòu)，是深入探究氣象學(xué)、氣候?qū)W乃至環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)。本文將系統(tǒng)梳理大氣的組成成分與垂直分層的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，并輔以針對(duì)性的練習(xí)，以期幫助讀者鞏固理解，深化認(rèn)識(shí)。一、大氣的組成地球大氣是多種氣體的混合物，同時(shí)還包含一些懸浮的固體和液體微粒。其組成可以分為以下幾個(gè)主要部分：（一）干潔空氣干潔空氣是大氣的主要組成部分，指的是除去水汽和懸浮雜質(zhì)后的空氣。在低層大氣中，干潔空氣的主要成分及其體積分?jǐn)?shù)大致如下：1.氮?dú)猓∟?）：約占78%。氮?dú)馐谴髿庵泻孔疃嗟臍怏w，性質(zhì)穩(wěn)定，是地球上生命體蛋白質(zhì)合成的基本原料。2.氧氣（O?）：約占21%。氧氣是維持生命活動(dòng)所必需的氣體，參與生物的呼吸作用和各種氧化過(guò)程。3.氬氣（Ar）：約占0.93%。氬氣是一種惰性氣體，在大氣中含量穩(wěn)定，對(duì)氣候和天氣過(guò)程影響較小。4.二氧化碳（CO?）：含量約為0.03%-0.04%（且受人類活動(dòng)影響逐年增加）。二氧化碳是重要的溫室氣體，能強(qiáng)烈吸收地面長(zhǎng)波輻射，對(duì)地球氣候起到保溫作用，同時(shí)也是植物光合作用的原料。5.臭氧（O?）：主要集中在平流層中形成臭氧層，在近地面也有少量存在。平流層臭氧能強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)紫外線，保護(hù)地球上的生命免受過(guò)量紫外線的傷害；近地面臭氧則是一種污染物。6.其他微量氣體：如甲烷（CH?）、一氧化二氮（N?O）、氖（Ne）、氦（He）等，它們含量雖微，但有的是重要的溫室氣體，有的在特定的大氣過(guò)程中發(fā)揮作用。（二）水汽（H?O）水汽是大氣中含量變化最大的成分，其體積分?jǐn)?shù)在0%-4%之間。它主要來(lái)自于海洋、湖泊、河流等水體的蒸發(fā)以及植物的蒸騰作用。水汽是成云致雨的必要條件，同時(shí)也是一種重要的溫室氣體，對(duì)大氣溫度有顯著調(diào)節(jié)作用。（三）固體雜質(zhì)和液體微粒（氣溶膠粒子）這些是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)微小顆粒，如塵埃、煙粒、花粉、鹽粒、水滴、冰晶等。它們主要來(lái)源于地面揚(yáng)塵、火山噴發(fā)、燃燒排放、海洋飛沫等。固體雜質(zhì)可以作為凝結(jié)核，促進(jìn)水汽的凝結(jié)，是形成云、霧、降水的重要條件。同時(shí)，氣溶膠粒子也會(huì)影響大氣的能見(jiàn)度和輻射平衡。二、大氣的垂直分層地球大氣的厚度可達(dá)數(shù)千公里，但由于地心引力的作用，大氣質(zhì)量的大部分集中在低層。根據(jù)大氣在垂直方向上溫度、密度、運(yùn)動(dòng)狀況和化學(xué)成分等的差異，可將其劃分為若干層次。通常采用溫度隨高度的變化特征作為分層的主要依據(jù)。（一）對(duì)流層（Troposphere）對(duì)流層是大氣的最底層，其下界為地面，上界為對(duì)流層頂。對(duì)流層頂?shù)母叨纫蚓暥群图竟?jié)而異：低緯度地區(qū)（赤道附近）可達(dá)17-18公里，中緯度地區(qū)約12公里，高緯度地區(qū)（極地）僅8-9公里。夏季對(duì)流層頂高度高于冬季。主要特點(diǎn)：1.氣溫隨高度增加而降低：這是由于對(duì)流層大氣的主要熱源是地面長(zhǎng)波輻射，離地面越遠(yuǎn)，獲得的熱量越少。平均而言，每上升100米，氣溫約下降0.65℃，稱為氣溫垂直遞減率。2.空氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)：因下熱上冷的溫度結(jié)構(gòu)，有利于空氣的垂直對(duì)流和水平運(yùn)動(dòng)，這也是該層名稱的由來(lái)。對(duì)流運(yùn)動(dòng)是成云致雨的主要原因，因此對(duì)流層是天氣現(xiàn)象最為復(fù)雜多變的層次，與人類活動(dòng)關(guān)系最為密切。3.集中了大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部的水汽、固體雜質(zhì)。4.氣象要素（溫度、濕度、氣壓等）水平分布不均勻：受地表性質(zhì)、海陸分布、地形起伏等因素影響，不同地區(qū)的氣象要素存在顯著差異。（二）平流層（Stratosphere）自對(duì)流層頂向上至約50公里高度的范圍為平流層。主要特點(diǎn)：1.氣溫隨高度增加而升高：這是因?yàn)樵谄搅鲗又猩喜看嬖诔粞鯇樱ù蠹s20-35公里處為臭氧濃度最大區(qū)域），臭氧層能強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)紫外線輻射而增溫。因此，平流層的溫度結(jié)構(gòu)是下冷上熱。2.空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主，氣流平穩(wěn)：由于下冷上熱，大氣垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)微弱，空氣主要作水平方向的運(yùn)動(dòng)，故稱為平流層。這使得平流層天氣晴朗，能見(jiàn)度好，適合高空飛行。3.水汽和雜質(zhì)含量極少：因此幾乎沒(méi)有云、雨等天氣現(xiàn)象（除了在某些條件下可能出現(xiàn)的極地平流層云）。（三）中間層（Mesosphere）自平流層頂向上至約85公里高度的范圍為中間層。主要特點(diǎn)：1.氣溫隨高度增加而迅速降低：該層幾乎沒(méi)有臭氧，而氮和氧等氣體能吸收的太陽(yáng)短波輻射大部分已被上層大氣吸收，因此氣溫隨高度增加而遞減，到中間層頂（約85公里）氣溫可降至-83℃以下，是整個(gè)大氣層中溫度最低的區(qū)域。2.空氣有相當(dāng)強(qiáng)烈的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)：因下熱上冷（相對(duì)于中間層頂而言，其下部溫度高于頂部），故又稱為“高空對(duì)流層”。3.在高緯度地區(qū)的黃昏時(shí)刻，中間層頂部附近有時(shí)會(huì)出現(xiàn)彩色的夜光云。（四）熱層（Thermosphere）自中間層頂向上至500公里左右的范圍為熱層，也稱為暖層。主要特點(diǎn)：1.氣溫隨高度增加而急劇升高：該層大氣直接吸收了太陽(yáng)短波輻射中的紫外線和X射線，這些高能輻射使大氣分子大量電離，同時(shí)釋放出巨大能量，導(dǎo)致氣溫隨高度增加而迅速升高，在300公里高度處氣溫可達(dá)1000℃以上。這里的“高溫”是指分子的動(dòng)能很大，但由于空氣極其稀薄，熱量傳遞能力很弱，人體若暴露在此不會(huì)感到“熱”。2.空氣處于高度電離狀態(tài)：由于太陽(yáng)高能輻射的作用，熱層中的氣體分子（如氧分子、氮分子）被大量電離為正離子和自由電子，因此該層又常稱為電離層。電離層能反射無(wú)線電波，對(duì)無(wú)線電通信具有重要意義。3.空氣稀薄，壓力極低：熱層頂以上的大氣已經(jīng)非常稀薄，逐漸向星際空間過(guò)渡。（五）散逸層（Exosphere）熱層頂以上的大氣統(tǒng)稱為散逸層，是大氣的最外層。這里的大氣極其稀薄，受地球引力束縛很弱，一些高速運(yùn)動(dòng)的粒子可以掙脫地球引力而逃逸到宇宙空間，故稱為散逸層。其高度可延伸至數(shù)千公里，與星際空間沒(méi)有明顯的界限。三、練習(xí)題與解析理解了大氣的組成和垂直分層的基本概念后，通過(guò)一些練習(xí)題可以幫助我們鞏固所學(xué)知識(shí)，并檢驗(yàn)理解程度。（一）選擇題（單選或多選）1.下列氣體中，不屬于干潔空氣主要成分的是：A.氮?dú)釨.氧氣C.水汽D.氬氣2.關(guān)于大氣中二氧化碳的作用，下列說(shuō)法正確的是：A.是植物光合作用的原料B.是重要的溫室氣體C.能強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)紫外線D.對(duì)地面有保溫作用3.大氣垂直分層中，氣溫隨高度增加而升高的層次有：A.對(duì)流層B.平流層C.中間層D.熱層4.下列關(guān)于對(duì)流層的描述，錯(cuò)誤的是：A.氣溫隨高度增加而降低B.空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主C.集中了幾乎全部的水汽和雜質(zhì)D.天氣現(xiàn)象復(fù)雜多變5.臭氧層主要位于大氣的哪個(gè)層次？其主要作用是？A.對(duì)流層，吸收紅外線B.平流層，吸收紫外線C.中間層，反射無(wú)線電波D.熱層，產(chǎn)生極光（二）填空題1.大氣中含量最多的氣體是________，約占________%。2.對(duì)流層大氣的主要直接熱源是________，因此其氣溫隨高度增加而________。3.平流層中因含有________，能吸收太陽(yáng)________輻射而使氣溫隨高度增加。4.中間層頂?shù)臍鉁乜傻椭羅_______℃以下，是大氣中溫度最________的區(qū)域。5.熱層又稱電離層，這是因?yàn)樵搶哟髿庠谔?yáng)高能輻射作用下發(fā)生了________現(xiàn)象。（三）簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述大氣中水汽的來(lái)源及其在天氣氣候中的重要作用。2.為什么說(shuō)對(duì)流層與人類的關(guān)系最為密切？3.平流層為何適合高空飛行？4.簡(jiǎn)述大氣垂直分層的主要依據(jù)，并列出各主要層次的名稱（自下而上）。參考答案與解析（部分）（一）選擇題1.C（水汽屬于可變組成部分，干潔空氣不包含水汽和雜質(zhì)）2.ABD（二氧化碳不能強(qiáng)烈吸收紫外線，吸收紫外線的是臭氧）3.BD（平流層因臭氧吸熱，熱層因吸收太陽(yáng)短波輻射）4.B（對(duì)流層空氣以對(duì)流運(yùn)動(dòng)為主）5.B（二）填空題1.氮?dú)猓?82.地面（地面長(zhǎng)波輻射），降低3.臭氧（O?），紫外線4.-83，低5.電離（三）簡(jiǎn)答題（要點(diǎn)提示）1.水汽來(lái)源：海洋、湖泊、河流等水體蒸發(fā)，植物蒸騰。作用：成云致雨的必要條件；重要的溫室氣體，調(diào)節(jié)大氣溫度；影響空氣濕度。2.原因：人類生活在對(duì)流層底部；對(duì)流層是天氣現(xiàn)象發(fā)生的主要場(chǎng)所，直接影響人類的生產(chǎn)生活；幾乎所有的水汽和雜質(zhì)都在對(duì)流層，與人類活動(dòng)所需的水資源、空氣質(zhì)量等密切相關(guān)。3.原因：平流層空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主，氣流平穩(wěn)，能見(jiàn)度好；水汽雜質(zhì)少，天氣晴朗，大氣擾動(dòng)小。4.主要依據(jù)：氣溫隨高度的變化規(guī)律。層次：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層（散逸層有時(shí)也列出）。四、結(jié)語(yǔ)大氣的組成和垂直分層是大氣科學(xué)的入門知識(shí)，也是理解各種天氣現(xiàn)象、氣候過(guò)程以及大氣環(huán)境問(wèn)題的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)這些知識(shí)的學(xué)習(xí)和練習(xí)，我們能夠更清晰地認(rèn)識(shí)我們賴以生存的這個(gè)“氣體圈層”的結(jié)構(gòu)與特性。從貼近地面、風(fēng)云變幻的對(duì)