科学猜想文集
(509)《大气成分随环境而变》

我们经常在思考一个现象，平流层为什么会产生水平运动，对流层为什么会产生三圈环流运动，它们之间又有什么区别？另外，我们还发现存在单圈环流现象，以及大气成分随环境而变化。

首先我们来看看地球大气圈层的垂直分层，地球的大气圈层由对流层、平流层、电离层（高层大气）组成。对流层在低纬度地区，位于地表至18公里处，在高纬度地区，地表至9公里的海拔高度。

对流层集中了大气圈层75%的大气质量，大气密度是一个标准大气压，主要由氮氧气体组成，其次有少量的二氧化碳气体。这些气体的质量明显高于原始大气圈层，又明显低于化学大气圈层。所以氮氧大气圈层是一个气压、密度适中，能够构成大气圈层产生复杂运动的一个地史时期。

三圈环流是大气密度适中，大气压适中的大气时代。大气受热后即不会产生无大气运动现象，受热大气上升的高度又能受到限制。大气在高空中的运动，是形成三圈环流的重要因素。

不同的星体存在不同的引力，它直接转换成大气密度。在木星上，大气密度比地球的密度小不了多少，但木星上没有热运动现象，如果木星上的氢氦气体就不复存在。所有的星体首先吸引住的是大质量的气体分子，所以在原始大气下面，一定存在一个现代大气分子层与一个化学大气分子层。

地球的平流层，位于大气圈层垂直分布的中部空间，对流层的顶部至距地表50公里处即为平流层。平流层的主要特征:空气质量占大气圈层总质量的25%，垂直高度比对流层多10多千米，空气密度相对于对流层要稀薄很多。

平流层的的大气运动明显受到地球自转力的影响，但从其运动的力度上分析，平流层受到地球自转力的影响又明显低于木星。这就说明木星云端的大气密度，要低于地球平流层的大气密度。

虽然平流层只集中了大气圈层25%大气质量，但平流层同样存在大气密度随高度递减，并不存在明显的分层现象。各大气圈层同样存在不同方式的运动，这是由地球的磁力场、重力场与太阳辐射共同作用的结果。

地球的平流层集中了大气圈层中90%的臭氧，而且臭氧主要集中在海拔20~25千米处，25公里至50公里臭氧随海拔高度递减至零。平流层的第二个特征是:平流层的底部呈等温状态，中层与上层气温呈逆增长状态。从受热状态上看，无法形成对流。

构成平流层温度逆增长的状态，是平流层上层太阳辐射力度较大，强大的辐射力度离解了臭氧分子，使臭氧分子在离解成离子的过程中释放较大的能量，形成平流层的逆增温现象。

紫外线在向平流层辐射过程中被臭氧吸收和削弱，从而形成逆温现象。太阳辐射的紫外线经过臭氧削弱，在抵达平流层底部时，已无力离解臭氧分子，只能使臭氧分子膨胀，从而形成等温分布。

为什么平流层会集中大气层绝大部分的臭氧呢？从单位质量上看:氧气是由两个氧离子组成的气体分子，臭氧是由三个氧离子组成的气体分子。在原子密度同等的前提下，组成分子的原子量越少，单位面积质量越大，反之，组成分子的原子量越多，其单位面积的质量越小。

氧原子有氧16、氧17、氧18三个同位素，氧18的相对单位质量要大于氧16，从同位素的分馏上看，太阳辐射主要分解的是由氧16组成的水分子，氧气可以由氧16或氧18氧组成，氧16组成的氧气为轻氧，两个氧18组成的氧气为重氧。臭氧由3个氧16组成，所以，臭氧的单位质量比氧气要小，是构成臭氧分布于平流的主要因素。

从地史上看，太阳辐射力度呈曾强状态。随太阳辐射力度的增长，太阳辐射分解水分子的量也会增长，含氧18组成的液态水分子量也会随之增长，氧16生成臭氧的机率反而下降，从而构成臭氧层出现空洞现象，这是其中原因之一。

臭氧空洞反反复复的出现与消失，是太阳辐射力度存在周期性变化的结果，如太阳辐射力度存在11年的周期循环变化，太阳辐射力度平稳，太阳风暴、黑子、耀斑、日耳的发生力度较低，频率较少；反之，太阳辐射力度增大，太阳风暴增强、太阳黑子、耀斑、日耳的强度与频率增强。太阳辐射力度的增强使地球的臭氧消耗量增大，而供给量下降，从而形成臭氧层空洞现象发生。

为什么平流层的温度呈逆增长状态？从氧气在大气圈层的平均停留周期上看，太阳辐射的紫外线是离解臭氧的主要原因，氧气的质量相对较大，主要集中在对流层，臭氧的质量相对较小，在热力的作用下可上升到平流层，所以，臭氧主要集中在平流层的底部。

太阳辐射的紫外线将臭氧离解成离子，并上升至高层大气圈层，成为较为活泼的离子而逃逸大气圈层。但在大气逃逸中，氧的逃逸占比非常小，主要是氢离子的逃逸，所以氢在大气圈层逗遛的时间很短。

水蒸气被光离解后，氧离子生成氧分子而回到近地表，而氢被光离解后生成氢气，氢气上升到平流层继续被光离解，上升至电离层，即高层大气圈层，最终逃逸地球。

从大气成份的平均停留周期看，氢在大气中的占比为0.01，氢在大气中的停留时间约为两年左右。氧在大气成份中的平均停留周期约1万年。水分子是由一个氧离子与两个氢离子组子，水被分解成离子后，氢离子的占比要远大于氧，而氢的占比确非常小。

除了氢离子外，从停留时间上看，氧在大气圈层的平均停留周期要比其它气体分子都短，逃逸速度也是比较快的。这需要地球每天都能制造出大量的氧气来满足生物的需求。那么地球上大量的氧制造从何而来？这是我们要讨论的重要课题:大气成份的平均停留时间随环境而变。

中生代与晚古生代，地球诞生了巨型蜻蜓等巨型昆虫，巨大型恐龙，它们的存在都需要近地表含有的氧浓度较高。巨型昆虫与恐龙的诞生，说明那个地史时期，存在一个超富氧的生态环境。

从今天的生态环境上看，密度较大的对流层环境是构成氧气在对流层均匀分布的重要因素。也是氢离子大量逃逸的重要原因。如果在低海拔地区出现低气压的状况，就会出现类似于高海拔的空气分布形式，至质量较大的气体分子都会富集在近地表。

由高山大气的分布状态，使我们意识到，今天由于太阳辐射的力度较大，使大气圈层中的氧成份始终保持在20%左右，这是大气循环，造成大气成份均匀分布的结果，而这样的分布结果制造出来的氧浓度，显然不适合巨型恐龙与巨型昆虫的诞生。

当地球距离太阳较远时，地球表面无法获得高热量转换，生成水蒸气、氧气的水平相对较低。地球表层能储备氧气的能力非常有限，那么，晚古生代至中生代的富氧环境从何而来呢？

经科学家研究发现:晚古生代至中生代的大气氧浓度在30~35%之间，是非常有利于巨型昆虫与恐龙繁荣的。这就说明中生代与中生代之前，地球的大气压并没有今天大，大气密度也比今天小许多，特别是高质量的大气空间也比今天低矮许多，这才构成了氧气在近地表的流通力度减少，氧气呈富集状态。 http://t.cn/R086bkj