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大气圈、水圈和土壤圈的基本特征

地球上的生命主要存在于大气、水和土壤三个圈层之中。人类活动造成的环境污染和生态破坏,目前主要发生在大气圈、水圈和土壤圈之中。因此,有必要对这三个圈层加以介绍,这对理解环境污染和生态破坏发生和发展的规律以及寻找解决这些问题的方法具有重要意义。
1. 大气圈
   大气是指在地球引力作用下聚集在地球外部的气体包层。在环境科学中
大气层称为大气圈,也称大气环境。
(1) 大气的组成
    大气是多种气体的混合物,另外还含有少量的悬浮固体微粒和液体微
粒。大气中除去水汽、液体和固体杂质外的混合气体称为干洁空气。干洁空气的组成成分最主要的是氮、氧、氩三种气体,它们占了大气总量的99.97%(参见表2-1)。在干洁空气中,二氧化碳和臭氧的含量很不稳定,随空间和时间的变化较大。    
表2-1 近地表干燥空气的主要组分 

组 分 体积比(ppm) 组 分 体积比(ppm) 
氮(N2) 780,900 甲烷(CH4) 1.2 
氧(O2) 209,500 氪(Kr) 1.1 
氩(Ar) 9,340 氢(H2) 0.5 
二氧化碳(CO2) 330 氙(Xe) 0.08 
氖(Ne) 18 臭氧(O3) 0.01~0.04 
氦(He) 5.2 _ _ 

(注:1ppm = 百万分之一)
    大气中的水汽主要来自地球上的水面和其他潮湿物体表面的蒸发,以及植物的蒸腾作用。大气中水汽的含量变化很大,其所占的体积比的变化范围在0~4%之间,并随高度的增加而减少。
    除了上述成分外,空气还含有一些不定成分,包括悬浮于大气中的固体杂质和气体污染物。
(2) 大气圈的分层
    大气总质量的90%集中在地表以上15公里以内,99.9%在50公里高度
以内。在2000公里高度以上,大气极其稀薄,逐渐向星际空间过渡,而无
明显的上界。大气的组分和物理性质(密度、温度、压力、电离度等)都随高度变化,据此可把大气分成若干层次。按大气温度垂直变化的特点可分为对流层、平流层、中间层和热层。其中对流层和我们的关系最密切。靠近地面的底层大气,其温度随高度的增加而下降,到一定高度,大气温度停止下降并略有回升,这一层大气称为对流层。其厚度在赤道地区约为16~18千米,中纬度地区约10~12千米,两极地区约7~8千米。在对流层顶,大气温度约为-50°C。在这一层内,大气受地表状况影响大,对流运动显著。大气中的水汽大部集中于此层,云和降水等天气现象就是发生在这里。通常所发生的大气污染也主要是发生在对流层内。
    在离地表10~50千米范围内,由于太阳紫外辐射的光化学作用,氧气分
子和氧原子在氮气等的参与下生成由三个氧原子组成的臭氧分子,形成一个臭氧层。臭氧层的高度大致与平流层相当,在离地表20~30千米处,臭氧浓度最大。臭氧层吸收了危害生命的太阳紫外辐射的大部分,使之不能到达地面。
(3) 影响大气污染的气象因素
    一个典型的大城市每天向大气中排放几千吨空气污染物,如果没有大气的自然净化作用,空气会很快因污染而对人类及动植物造成致命伤害。大气的自然净化过程包括:降水的洗涤作用;悬浮颗粒的重力沉降作用;污染物跟其他物质间的化学反应等等。但在降低污染物的危害方面,最重要的还是大气本身的分散和稀释作用。而大气的这种对污染物的稀释和分散作用的强弱又主要取决于风和大气稳定度两个气象因素。
    风是指水平的气流。风对一个地区的大气污染或大气环境质量的影响是显而易见的,它包括风向和风速两个方面。风向决定污染物扩散的方向,风速决定污染物扩散和稀释的快慢和程度。
    大气稳定度反映的是大气在垂直方向上的运动状况。当一团空气在大气中上升时,它受到周围大气的压力逐渐减小,它的体积随之发生膨胀。根据热力学原理,气体膨胀会降低它的温度。对于干燥空气来说,如果没有外界热量输入的话,它每上升100米温度就会下降约1°C,而不论其所处的高度是多少。由于空气的热传导作用很弱,当空气团上升时实际发生的膨胀过程近似于绝热膨胀。但是,大气温度随高度的变化率常常不是大于就是小于1°C/100m。当大气的有效垂直降温率大于1°C/100m时,大气是不稳定的;反之,大气是稳定的。特别是当出现逆温天气──气温随高度的增加反而上升时,大气异常稳定。稳定的大气状况,特别是逆温天气,对污染物的扩散不利,此时大气的对流运动很弱,稀释作用很小。

 
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