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第1章 基础 P. Warneck 本章是为了提供大气组成和结构的背景信息。此外，简单回顾大气输送的主要模式以及处理化学过程与输送间相互作用的方法，并概述颗粒物在大气中的作用。 1.1 大气容积组成和热结构 大气总质量是5.14×1018kg。干空气的主要气态组分是氮气、氧气和氩气。它们的摩尔分数（化学量分数）的百分比分别为78.08、20.95和0.95。氩气主要是40K放射性衰减得到的40Ar。其它稀有气体以较小的浓度出现，其摩尔分数示于表1.1。氡是从土壤中散发出的铀放射性衰减产物，它是不稳定的，只以微量浓度出现。水蒸气和二氧化碳也是主要的成分。H2O的浓度是高度变化的，因为其浓度限于饱和蒸气压，而后者与温度有关（见下）。二氧化碳的混合比在近几十年由于化石燃料的燃烧而上升，现在的大气平均浓度是360ppm。二氧化碳相当均匀地分布在大气中，但是由于它和生物圈的相互作用，二氧化碳的浓度经历季节和当地的变化，达到当地丰度的几个百分点。 Table 1.1Relative proportions of the major constituents of dry aira and the rare gases (in ppm).The entry for water vapor is relative to the sum of dry air plus H2O Major components Other rare gases Nitrogen 780 840 Helium 5.24 Oxygen 209 460 Neon 18.2 Argon 9 340 Krypton 1.14 Carbon dioxideb ～360 Xenon 0.087 (Water vapor 3-75000) Radonc 0.0001 a From Glueckauf (1951);bCurrent approximate value; Glueckauf (1951)cited～300;cThe half-life time of radon 222 due to radioactive decay is 3.8 days. 干空气的组成随海拔高度高至约100km是稳定的。流体静力学定律使得大气压力和密度随高度增加而大致以指数下降，示意于图1.1，所以大气质量的大部分在低层大气。在100km高度，大气压力是0.05Pa，比地面的105Pa下降了2×106倍。在更高的高度，由于低且继续降低的压力，分子扩散成为比湍流混合更为重要的输送过程，这也表示于图1.1。地球重力场中的分子扩散使得不同分子量的气体分离。所以，相对组成随海拔增加而逐渐变化，有利于轻的大气组分。最终，在海拔500km以上，氦和氢成为主要的组分，而它们在低大气层中是微量的组分。因为原子和分子的热速度大小随原子质量的降低而上升，最轻的元素氢和氦可以部分克服地球重力场的障碍而逃离到太空。 大气的平均温度随高度变化的情况见图1.1。从地面开始向上，根据层内温度梯度大气依次分为对流层、平流层、中间层和热层。地面的温度主要是由太阳辐射地球表面而决定的，能量转移给毗连的大气层。从下加热产生对流，上升与膨胀大气的绝热冷却使得温度几乎随海拔上升而线性下降，直至对流层顶。对流层顶在热带地区约为16km处，而在热带外地区则为8-12km，它随纬度、季节和气象条件而变化。在对流层顶附近，绝热对流引起的传热变得不再重要，在更高的高度温度主要由进入和发射的热（红外）辐射决定。二氧化碳、水蒸气和臭氧是主要的红外发射气体。分子氮和氧不是辐射活性的。在平流层温度上升直至在50km高度达到最高，这定义为平流层顶。在更高的高度，即中间层温度下降，在约85km高度下降到最低绝对温度，此后温度又上升到外层大气的1000K以上。 平流层的温度极大值是由于太阳紫外线辐射及其转换为热。图1.2表示了太阳紫外线穿透大气的情况。波长170nm以下的辐射已在100km以上高度的外层大气中吸收。在平流层顶附近，主要是氧在180-190nm波长的Schumann-Runge带的吸收起着能量输入的作用。吸收过程导致氧的光分解并形成臭氧。更长波长的辐射也被氧吸收，虽然弱得多，因此能更深地穿透大气。氧分解导致臭氧层的形成，它在海拔25km处密度最大。最大约8ppm的摩尔分数出现在热带的35km高度。虽然臭氧仍然是平流层的微量气体，它吸收紫外线从而防止低层大气受到300nm波长以下光线的辐射。短波紫外线对生物是致命的，因为它破坏核酸。所以臭氧层对于陆地生物的存在是至关重要的。臭氧层以及50km高度温度最大是地球的独特特征，在其它星球上未观察到。 外层大气的高温是两个因素联合作用引起的。一方面，由于吸收太阳光谱中极端紫外线而有大量能量输