大气的组成和垂直分布
2010-09-06 08:34:59| 分类：
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我们抬头仰望，那湛蓝的天穹就是紧紧裹着地球的大气圈。有关的生理学实验表明：人体能够10天不吃食物，能够5天不喝水，但是人能耐受缺乏大气的时间却仅仅只有5分钟。是什么原因使人类离不开大气？大气对于人类究竟意味着什么呢？她又是怎样影响着我们的生产和生活的呢？
知识精析
1．大气的组成和意义
成分
重要作用
干洁空气
氮
地球上生物体的基本成分
氧
人类和生物维持生命活动所必需的物质
二氧化碳
绿色植物光合作用的基本原料，对地面起保温作用
臭氧
大量吸收太阳紫外线，保护地面生物免受紫外线伤害，被誉为“地球生命的保护伞”
水汽
水汽的相交产生了云、雨、雾、雪等天气现象，直接影响地面和大气温度
固体杂质
作为凝结核，是成云致雨的必要条件；(削弱太阳辐射；影响大气质量)
【例1】关于大气组成成分及其作用的叙述，正确的是 （ ）
A．水汽和固体尘埃不会影响地面的温度 B．干洁空气的主要成分是氧和氢
C．二氧化碳对地面有保温作用 D．臭氧能大量吸收太阳红外线
【解析】干洁空气由氮、氧、二氧化碳、臭氧等组成。二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料，对地面还有保温作用；臭氧能大量吸收太阳光线中的紫外线；水汽和固体尘埃的含量也很少，却是成云致雨的必要条件。同时也会影响地面和大气的温度。
【答案】C
2．大气的垂直分布
垂直分布
主要成分
厚度
温度
运动
天气
天气与人类的关系
对流层
占大气质量的3/4及全部水汽和固体杂质
低纬度：地面至17－18km
中纬度：地面至10－12km
高纬度：地面至8－9km
随高度增加而递减
对流运动显著
复杂多变
对人类活动影响最大
平流层
臭氧（22－27km臭氧层）
对流层顶至50－55km
下层随高度变化很小，30千米以上，随高度增加而升高
平流运动为主
晴朗，能见度好
地球的天然屏障；有利于高空飞行
高层大气
电离状态
平流层顶至2000－3000km
反射无线电波
3．各层大气特点的成因
对流层大气的热量直接来源于地面，因此，近地面大气“近水楼台先得月，气温较高，而上层大气由于离热源较远，气温较低。平流层大气热量来源于平流层中的臭氧吸收太阳紫外线，太阳光是从上向下穿过大气射向地面，因此上层吸收的紫外线较多，气温较高，下层气温较低，其特点推理过程如下：
对流层—热量源于地面→上冷下热→对流运动显著→天气现象复杂
平流层—热量源O3吸收紫外线→上热下冷→平流运动→天气晴朗利于飞行
4．对流层高度随时空变化而变化的原因
低纬度地区受热多，气温高，对流旺盛，对流层顶高；高纬度地区受热少，气温低，对流较弱，对流层层顶低。同样道理，同一地区对流层顶高度夏季大于冬季。
5．人类活动对大气组成的影响
目前，人类活动改变了大气成分。如向大气中排放二氧化碳、氟氯烃、甲烷等使大气成分发生变化，导致保温作用，同时氟氯烃在高空中接受太阳辐射，会分解产生破坏臭氧层的物质，出现臭氧层空洞，妨害地球上生物的存在。因此，如何减少二氧化碳和氟氯烃的排放量是人们普遍关心的问题。
6．?京都议定书?与温室气体的排放
京都议定书?是1997年12月在日本京都召开的联合国大会上通过的。该议定书规定，在2008年至2012年期间，发达国家温室气体排放量要在1990年的基础上平均削减5.2%，其中美国削减7%，欧盟削减8%，日本削减6%。
【例2】图8—2是大气垂直分层图，读图回答：
(1)B层是 层，为什么说它是人类生存环境的天然屏障? 该层因 而有利于高空飞行。
(2)A层是 层，该层的热量直接来自于 ，其空气以 运动为主，原因是 ，该层的天气特征是 。
(3)C层是 层，该层中的电离层对无线电通讯有重要作用，原因是 ，该现象产生的原因是 。
(4)人类活动导致其成分增加或减少的是 层和 层。
【解析】对流层大气的主要的直接热源是地面，气温随着高度的升高而递减。该层下热上冷，对流运动显著，近地面的水汽和固体杂质得以向上输送，易成云致雨，天气现象复杂多变；平流层中由于臭氧大量吸收紫外线，不仅成为人类生存环境的天然屏障，而且使气温随着高度的升高而升高，该层下冷上热，大气以平流运动为主，加上该层水汽、固体杂质极少，天气晴朗，有利于高空飞行；高层大气中有电离层，其大气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态，故而能反射无线电波；目前，由于人类大量使用矿物燃料，使对流层中的二氧化碳含量不断增加，随着制冷工业的发展，大气中的氟氯烃含量增加，破坏臭氧层。
【答案】 (1)平流 臭氧含量多，大量吸收太阳紫外线，保护地球生物免受伤害 天气晴朗，能见度好 (2)对流 地面 对流 上冷下热 复杂多变 (3)高层大气 大气处于高度电离状态 太阳紫外线和宇宙射线的作用 (4)对流 平流
7．逆温现象
逆温层的出现，阻碍了空气垂直运动的发展，致使大量烟尘、有害气体污染物在其下方聚集，加剧了空气污染，造成大气污染事件的发生。
较为常见有辐射逆温、锋面逆温、下沉逆温等。
由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，称为辐射逆温。图2-1-4表明辐射逆温的生消过程。图a为正常的气温垂直分布情形：在晴朗无云或少云的夜间，地面辐射冷却很快，贴近地面的气层也随之降温。离地面愈近，降温愈快，离地面愈远，降温愈少，因而形成了自地面开始的逆温(图b)；随地面辐射冷却的加剧，逆温层逐渐向上扩展，黎明时达最强(图c)；日出后，太阳
辐射逐渐增强，逆温便逐渐自下而上地消失(图d、e)。辐射逆温厚度从数十米到数百米，在大陆上常年都可以出现，以冬季最强。冬季夜长，逆温层较厚，消失较慢。在山谷与盆地区域，由于冷却的空气还会沿斜坡流入低谷和盆地，因而常使山谷和盆地的辐射逆温得到加强，往往持续数天而不会消失。
锋面逆温是由暖气团位于冷气团之上而形成的，这种逆温层是随锋面的倾斜而成倾斜状态。由下面的冷气团到上面的暖气团等温线通过锋面的区域时必有曲折，曲折的程度视两种气团间的温度对比来决定。如图，层结曲线ABCD在通过锋面的区域内出现BC一段逆温层。
【例3】读某地某时气温垂直分布图，回答下列问题：
(1)此地终年干燥，其气候类型可能是 气候。
(2)以上气类候型在南美洲分布的特点是 。
(3)近地面逆温层常出现在晴朗的夜晚，至日出前后最厚，试简要说明原因： 。
(4)此地附近有座高山，山顶有皑皑白雪。这座高山的海拔高度估计至少在 m以上。
(5)在图上适当位置用斜线绘出臭氧层。如何避免两极地区臭氧层遭受进一步破坏 。
(6)南极地区无太阳紫外线辐射的范围达最大面积时，下列同期图示正确的是 。
【解析】(1)解答本题的关键在于根据对流层的厚度得出该地位于低纬度，因而该纬度范围里的终年干燥的气候为热带沙漠气候。 (2)该气候类型在南美受地形和洋流影响，呈南北狭长分布。安第斯山的阻挡使之不能向东扩展，秘鲁寒流使之南北延伸。 (3)逆温是指在对流层大气中温度随高度的增加而升高或不发生变化的现象。形成逆温的原因有多种，本题主要是考查学生利用已有的地理知识解释辐射逆温的形成机理。晴朗的夜晚，地面因大气逆辐射弱而散热快，至日出前后，地面温度降至最低，受其影响近地面气温也降低而成。(4)附近山顶有积雪，说明温度在0℃以下，又因逆温层顶为24℃，据气温的垂直递减规律，得出逆温层顶至山顶的高度至少为24／6×1000＝4000(米)，然后加上逆温层的厚度1000米，是整个山的海拔高度。 (5)本题考查臭氧层出现的高度范围和绘图技能，培养学生的环境保护意识。 臭氧在22～27km处达最大值，形成臭氧层。减少氟氯烃的使用，积极推广使用无公害制冷剂是防止臭氧层破坏的重要措施。
【答案】 (1)热带沙漠 (2)南北狭长分布 (3)晴朗的夜晚，地面辐射散热快，至日出前后地温降至最低，近地面气温亦降低而成 (4)5000 (5)图略 减少氟氯烃的使用，积极推广使用无公害制冷剂是防止臭氧层破坏的重要措施(6)①②
图表解读
1．读“干洁空气的主要成分”表，氮占干洁空气体积的78．08%，质量分数的75．52%，占3／4多；氧占干洁空气体积的20．94%，质量分数的23．15%， 占1／5多；氮和氧合占干洁空气体积分数的99%，是干洁空气中的主要气体。氩的含量较少，占体积分数的0．93%，质量分数的1．28%。氮、氧、氩在干洁空气中含量稳定，二氧化碳含量较少，属微量气体，但却是植物光合作用的原料。由于人为原因，二氧化碳的含量相对不稳定，有增加的趋势。
【练1】干洁空气中，占大气体积3／4以上的气体是（ ）
A．N2 B．CO2 C．O2 D．O3
【答案】A
2．图8－3 “大气的垂直分层”图，展示了大气在垂直方向上分为三层：对流层、平流层和高层大气。对流层气温随高度的升高而降低，说明热量主要来自地面，易发生空气对流运动，有雨雪现象，天气复杂多变。平流层厚度自对流层顶到50～55km高度范围，平流层底部气温随高度变化不明显，大约30km以上，气温随高度升高迅速上升，是因为：该层的温度基本不受地面影响，热量不是来自地面，而是直接来自太阳辐射。由于空气下部冷、上部热，大气稳定，不易形成对流，而是以平流运动为主，有利于飞机高空飞行。高层大气中有极光现象、宇宙火箭和人造卫星运动。宇宙火箭和人造卫星没有被高温烧毁，这是因为此层大气非常稀薄，与空气摩擦产生的热量和从中吸收的热量很有限。
【练2】300千米以上的大气层气温高达1000℃以上，但在其中运行的人造地球卫星不会烧毁，主要原因是 （ ）
A．卫星与大气处于相对静止状态
B．卫星在大气中高速运行，能很好地散热
C．该层大气密度大，有利于卫星散热
D．该层大气稀薄，卫星从中吸收的及与之摩擦产生的热量有限
【答案】D
课后练习
一、单项选择题：
对流层中的上升气流会使飞行中的飞机颠簸。导致对流层气流上升的原因是：上层实际气温低于理论气温(按垂直递减率计算的气温)。下图表示四种对流层气温分布状况，分析下图回答1－2题：
1．①图表示的气温降低速率在
A．3 000米以下低于垂直递减率
B．3 000—6000米高于垂直递减率
C．6000米以下等于垂直递减率
D．6000米以下均低于垂直递减率
解析：解答本题的关键是必须明确对流层气温的垂直递减率是高度每上升100米，气温降低0．6。由①图可知，3 000—6 000米之间，高度上升了3 000米，而气温下降了约20℃，且比较均匀，故气温递减率约为 0．67℃。
2．上图中，飞机可以在5000米高度平稳飞行的是
A．① B．② C．③ D．④
解析：对流层的上升气流会使飞行中的飞机颠簸，要使飞机平稳飞行，必须使气流平稳。读图计算比较：①图5 000米高空气温理论值应为－10℃，而实际气温约为－30℃，②图5000米高空气温理论值应为－15℃，而实际气温约为－20℃，③图5 000米高空气温理论值为－10℃，而实际气温约为－25℃，④图5000米高空气温理论值为－20℃，而实际气温也约为－20℃，故①②③对流旺盛，不利于飞机飞行。
近些年来,生活在伍拉斯顿群岛的许多动物视力严重退化,羊患上了白内障,野兔和鸟类几乎双目失明,渔民捕到的鱼大多数是盲鱼。当地居民外出时暴露的皮肤很快就被晒得通红,眼睛也有痒痛感。这种情况是由于大气层中臭氧层被破坏而造成的。读图2－1－2并回答3－6题：
3．造成当地环境问题臭氧层空洞出现在
A．北极上空 B．南极上空 C． 赤道上空 D．北大西洋上空
4．臭氧层位于
A．对流层顶部 B．对流层与平波层的交界处
C．平流层中 D．高层大气中
5．臭氧层能够大量吸收
A．太阳辐射中的紫外线 B．太阳辐射中的红外线
C．地面辐射 D．大气辐射
6．保护臭氧层的有效对策是
A．建立大范围的热带雨林自然保护区
B．各国共同行动,联合治理酸雨和汽车尾气污染
C．各国共同行动,禁止氟氯烃化合物的排放
20m
40m
60m
80m
100m
A
16.3℃
16.6℃
16.8℃
17.0℃
17.1℃
B
21.0℃
21.0℃
20.9℃
20.9℃
21.0℃
C
20.9℃
20.8℃
20.6℃
20.2℃
20.0℃
D
15.2℃
14.8℃
14.7℃
14.9℃
15.2℃
D．严格控制发达国家CO2的排放量
7．在风速大致相同，而气温垂直分布不同的A、B、C、D四种情况中最有利于某工厂68米高的烟囱烟尘扩散的是
7．C
下图示意大气垂直分层，读图回答8－10题。
8．图中正确表示大气层气温垂直变化的曲线是
A．① B．② C．③ D．④
9．对短波通信具有重要意义的电离层位于
A．Ⅰ层顶部 B．Ⅱ层底部
C．Ⅱ层中部 D．Ⅲ层
10．2003年10月，我国发射的“神舟”五号飞船运行轨道所在大气层
A．气温在－50－20℃之间 B．气温随高度增加平稳下降
C．最低气温约为－80℃ D．最高气温约为40℃
读“某地1月1日对流层气温垂直分布状况图”，回答11－12题：
11．该地可能是
A．长白山 B．华北平原
C．四川盆地 D．青藏高原
12．如果该地现象是由于地面辐射引起的，那么该现象最强烈的时间是
A．日落后 B．日出前 C．日出后 D．日落前1～2小时
二、综合题
13．图8－4是干洁空气组成示意图，读图回答：
(1)图中A、B表示的大气成分是：A ，B 。其中B的重要作用是 。
(2)“其他气体”含量虽少，但其中的 和 对地球上的生命活动和自然环境有着重要作用。被称为“地球生命保护伞”的主要成分分布在 层。
(3)由于人类活动的影响，使得大气的成分和含量发生变化。由于燃烧矿物燃料，使得干洁空气中的 含量增多；由于 工业的发展，释放到大气的 增加，破坏了臭氧层，使到达地面的紫外线增加，危害人体健康。
答案：⑴氮 氧 人类和一切生物维持生命的必需物质 ⑵CO2 O3 平流 ⑶CO2 制冷 氟氯烃
14． 图8－5是“大气的垂直分层图”，读图回答下列问题：
(1)大气垂直分层的依据是 。
(2)A层是 层，B层是 层，C层是 层。
(3)A层气温随高度 ，因为 ；B层气温随高度变化规律是 ，原因是 。
(4)对流运动强烈的是 层，有利于飞机飞行的是 层，对无线电短波通讯有影响的是 层，发射的人造卫星在 层中运行。在 层中可发现极光(填代号)。
(5)某波音飞机起飞时，机场风雨交加，飞机起飞后，迅速做爬升运动，结合所学知识，解释这么做的原因是 。
答案：(1)温度、密度和大气运动状况 (2)对流 平流 高层大气 (3)升高而递减 地面是对流层大气的主要的直接热源，离地面越高，气温越低 升高在下层随高度变化很小，在30千米以上气温随高度增加而迅速上升 该层的气温基本上不受地面影响，而是靠臭氧吸收大量太阳紫外线而增温的 (4)A B C C C (5)平流层水汽和固体杂质少，天气晴朗，大气平稳，有利于高空飞行，飞机升至平流层比较安全。
15．甲图中表示的近地面空气若上升到3 000米高度时，理论温度T，3 000米高空的
实际温度TS。当TS≥T时，近地面空气上升将受阻，即出现逆温现象。读“某城市春季气温日变化图”(乙图)，回答：
(1)若TS稳定在－8℃，该城市气温至少要上升到 ℃以上时，逆温现象才能结束，这时的时间约为 时。
(2)一般逆温结束后2小时，近地面对流才能起到“净 化”空气的作用，所以在图示的情况下，仅考虑空气洁净的因素，上午体育锻炼时间宜选在 时以后。
答案：⑴10 8 ⑵10
16．读图，图1为某地秋季某日垂直温度梯度(℃／百米)时空变化图，
图2为地表附近大气污染的物质浓度的变化曲线图，分析回答：
(1)该日此地发生大气逆温现象的时段是
A．8时－16时30分 B．17时－23时
C．16时30分－7时 D．23时－5时
(2)发生大气逆温现象的最大高度约为
A．500米 B．100米 C．350米 D．150米
(3)地表附近大气污染物质浓度的变化与逆温层变化的关系是 。
答案：⑴C ⑵C ⑶大气污染物质浓度随逆温层厚度的减小而减小
