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地球的面紗
原載1977年《地球的畫像》。

  藍藍的天上白雲飄。我們翹首望天,似乎高不可及。其實我們所看見的這個「天」,本是「地」的一部分——地球大氣圈的低層。它的高度不過十幾千米,宇宙火箭很容易就穿越過了這個高度,這時再回顧地球,藍天卻已跑到我們的腳下,似輕煙,似薄霧,更彷彿是一層蔚藍色的軟紗裹在地球的表面。
  我們所看到的這個裹著地球的藍色面紗,是由稠密的空氣組成的,是陽光在其中散射的表現。
  就整個地球來看,愈是靠近核心,組成物質的密度就愈大。以大氣圈和地球的固體部分相比較,大氣圈的密度要比地球的固體部分小得多,全部大氣圈的質量(5600萬億噸)還不到地球總質量的百萬分之一;以大氣圈的高層和低層相比較,高層的密度比低層要小得多,而且愈高愈稀薄。如果以海面上的空氣密度為1,在240千米高空,大氣密度就只有它的一千萬分之一;到1600千米高空,更只有它的一千萬億分之一了。整個大氣圈質量的90%,集中在高於海面16千米的空間內,大體上也就是我們看到的那個藍色的面紗的厚度。再往上去,空氣就稀薄到不足以使陽光散射形成藍色的天空了。當升到比海面高出80千米的高度,幾乎全部大氣圈的質量99.999%都集中在這個界限以下;而所余無幾的大氣占據的空間卻極為廣大,探測結果表明,地球大氣圈沒有明顯的邊界。高層大氣稀薄的程度比人造的真空還要「空」,但是,在那裡確實還有氣體的微粒存在,而且比星際空間的物質密度大得多,然而它們已不是氣體分子,而是原子及原子再分裂而產生的粒子了。以80∼100千米的高度為界,在這個界限以下的大氣,盡管有稠密稀薄的不同,但它的成分大體一致,以氮和氧的分子為主,這就是我們周圍的空氣。而在這個界限以上,到1000千米上下,就變得以氧為主;再往上到2400千米上下,變得以氦為主;再往上,則主要是氫;在64000千米以上,大氣便稀薄得和星際空間差不多了。與我們關係最密切的是低層的稠密大氣。
  高於海平面10∼12千米以內(在兩極較低,約8千米,在赤道上較高,約為16千米)的這層大氣,能因冷熱不同而對流,稱為對流層。對流層是大氣圈中最稠密的一層,大氣中的水蒸氣也幾乎全部集中在這裡,特別是在它的下半部。因而這裡是風雲變幻的主要場所,我們所感受到的各種天氣現象都是在對流層裡發生的。
  在對流層裡,距海面愈高氣溫愈低,平均每升高1千米,溫度就要降低大約6.5℃。而從對流層頂上開始,溫度又隨著高度增加而增加。直到大約高於海面50千米處,溫度又變為隨著高度增加而降低。到80千米以上,溫度則又升高,在500千米一帶,可升高到1000℃。
  在對流層上面,直到高於海面50千米的這一層,氣流的特點主要表現為水平方向運動,稱為平流層。
  平流層以外的大氣,因受太陽輻射等作用,氣體分子分裂成為原子,並有發生電離成為帶電粒子的,愈高這些作用愈強烈,於是在地球周圍形成了能夠導電、能夠反射無線電波的電離層。它的底部邊界高度約在65千米左右,頂部邊界在650∼1000千米的高度之間。
  高層的大氣表現不出絢爛多彩的天空景象,但它所表現出的電磁等現象有力地證明著這裡大氣的存在,那些高空中的帶電粒子是受著地球磁場控制的,形成一個無形而巨大的磁層。
  大氣圈就是這樣層層疊疊,看起來彷彿空若無物,實際上是壁壘森嚴,將地球重重包住。豈止是面紗,簡直是屏障,是銅牆鐵壁,對地球起著重要的保護作用。
  1976年,我國吉林省下了一場隕石雨,成為自然界罕見的珍聞。假使沒有大氣,這種從天而降的隕石將成為家常便飯,給地面造成極大毀壞。正是由於大氣圈的保護,高速衝來的隕石因與大氣劇烈摩擦,減慢了速度;並因摩擦產生的高熱影響,絕大部分隕石在100多千米的高空就化為灰塵和氣體,只有極少數到達地面,而且已是強督之末,一般不會造成什麼危害了。
  從天外向地球襲來的還有強烈的紫外線。假使沒有大氣,過多的紫外線將使地球上的生命無法生存,現在大氣圈保護了我們。在大氣圈中離開海面20∼35千米這一帶含臭氧較多,所謂較多,也不過占到四百萬分之一左右,但這點臭氧已足以使大量紫外線被吸收,才使得地球上各種生物免受過多的紫外線傷害;剩下少量的到達地面,對我們來說有殺菌防病作用,反而變得無害而有益了。
  那些極其稀薄的為地球磁場所控制的帶電粒子組成的高層大氣,也有保護地球的作用,它能使宇宙中那些以高速衝向地球的粒子流偏轉方向。
  地球大氣圈的存在,不僅保護了我們,還是生命得以發生和發展的重要條件。假使沒有大氣,就沒有燦爛的雲霞,更沒有生命的喧囂,而將是白天酷熱,夜晚嚴寒,天上是黑洞洞的,地下是一片荒涼。月球上就是這種情景。
  月球本來也是有大氣的,因為它的質量少,引力小,月面的重力只有地面重力的16%,在月球上只要有每秒2.4千米的速度就可逃逸到宇宙中去。因此,體輕而又運動迅速的大氣就沒能在月球周圍保存下來,月球成了現在這個樣子。
  水星的質量、引力也都比地球小得多,水星表面的重力只有地面重力的37%,保存下來的大氣幾乎等於零,而且為氦、氖、氬所組成,生命無從發生。
  火星有微薄的大氣,金星的大氣也不少,但是它們的成分都是以二氧化碳為主,大約占到90%以上。二氧化碳是生命發展所需要的,在自然界中,大量綠色植物以二氧化碳為食料。但是二氧化碳的濃度太大,生命就無法存在了。像地球上這樣適合於生命的發生和發展的大氣圈,在太陽系中是獨一無二的。
  地球的大氣中,如按重量計算,約75.5%是氮,23.l%是氧,1.3%是氬,0.046%是H氧化碳,剩下的是其他氣體。
  地球大氣並非從來如此,而是地球發展演化到一定階段的產物。有的研究結果表明:大約在3.5億年前,地球的大氣圈具有了現在這樣的成分和形態,在大約6億年前,地球大氣中的氧,還只有現在的1/10,約在1億多年前,地球的氣溫才演變成接近現在的狀況。
  地球的大氣也曾經有過二氧化碳占優勢的時候,只是由於物質起了化學變化和後來生物的作用,大部分二氧化碳變成碳酸鹽沉澱在海中,形成沉積岩,以及變成煤和石油等礦產,埋藏地下。因此,今天地球上的碳,約有99.77%是藏在沉積岩裡,0.058%是藏在煤和石油等燃料礦產裡,0.16%溶解在水中,只有0.012%存在於大氣和生物體內。因此只要巖石中的碳,稍有一小部分轉化為二氧化碳,就會大大影響大氣的成分。
  大氣不是固定不變的,而是每時每刻都在發生著變化。
  火山噴發,供給大氣以新的補充,平均計算起來,噴出的氣體中有12%是二氧化碳,73%是水汽,還有二氧化硫、氨、氫等許多其他氣體。此外,還使大量火山塵懸浮於大氣之中。看來,火山噴發是大氣最初的重要來源之一。今天火山的活動,是大氣從地球內部不斷繼續分離出來的表現。
  人類和其他生物的活動也在引起大氣的變化,主要是消耗及產生著氧和二氧化碳。
  目前,大氣中二氧化碳的含量有逐漸增加的趨勢。這主要是由於人類大量燃燒煤、石油和天然氣造成的。大氣中二氧化碳含量增加,會使地面的熱量散失作用減弱。在一些工業過於集中的地區,由於排放出大量有害氣體和粉塵,污染了那裡的大氣,甚至影響到了臭氧層,已帶來惡劣後果。因此,維護大氣的良好狀態已成為各國人民的共同要求。我們一定要掌握好大氣發展變化的規律,調節各種因素,使大氣更加適合於人類生存。

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