大气层的演化与全球气候变化

随着地球本身及其大气层的演进，地球质量逐渐增加，大气层逐渐增厚，来自宇宙空间和人类产生的温室气体难以逃逸，致使温室效应增强，这也是全球气候变化的一个重要原因。

全球气候变化通常与地球大气层的变化和演进紧密相关，所以研究全球气候变化应该从大气层的形成与演进着手。

地球大气层是地球形成和演化的产物，其演化大致经历了原始大气、次生大气和现在大气三个阶段。

1、原始大气

最初，在地球形成的过程中，地球一边绕着太阳旋转，一边吸附着轨道附近的微尘和气体，使地球质量逐渐增大，大气层逐渐增厚，并在星子的撞击或自转不断加速的原太阳的万有引力的拖曳下渐渐地远离原太阳。

随着地球质量和体积的不断增加，地球内部的热能不断积聚，包括地球高速公转引起的气流摩擦产生的热能，地球自身引力收缩过程产生的热能，原始地球内部化学反应产生的热能。正是由于地球原始热能积聚到一定程度，才使原始地球物质发生了熔融分异，形成了地球的不同圈层：地核、地幔和地壳。

当地球远离太阳足够距离时，地球公转速度变慢，地球降温，地球周围形成了越来越厚的大气层。随着大气层中水汽的增加，地球上空时常成云作雨，降落到地面的雨水又使地球表面逐渐冷却。当地球表面冷凝为固态时，周围就包围着一层浓密的大气，这就是原始大气，其主要成分是氢、氦、水汽和二氧化碳，正如金星裹着一层浓密的二氧化碳那样。

2、次生大气

随着地球水圈的形成，地球表面受到冰水的侵蚀越来越严重，许多地方地壳破裂，当水进入地幔与炽热的岩浆接触时，水分立即气化，产生猛烈的火山喷发。

在地球内部长期形成的气体，通过火山活动排出地表，形成了地球的次生大气圈，主要为水汽、二氧化碳、甲烷、氨和氢。但次生大气缺乏氧，这是因为地壳调整刚开始，地表金属尚多，氧容易和金属元素化合而不能在大气中久留，因此次生大气属于缺氧性还原大气。

3、现在大气

随着太阳向地球表面的不断辐射，太阳远紫外线能将次生大气中的水汽分解为氢、氧两种元素。随着氧的增加就在高空中形成了臭氧层，它能吸收紫外线，有利于地球上的植物迅速繁殖和生长，绿色植物的光合作用又为地球大气增加了许多氧气。

另外，次生大气中的氨和氧起化学作用产生了氮，甲烷和氧起化学作用产生了二氧化碳。经过几十亿年的过程就形成了现在的大气层，其中主要有：氮气占78.1%，氧气占20.9%，氢气占0.93%，还有少量的二氧化碳、稀有气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气氡气)和水蒸汽。

随着地球质量的增加，大气层还在逐渐增厚。整个大气层随高度的不同表现出不同的特点,可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层,再上面就是星际空间。

这五个层次的形成主要同太阳辐射进入大气后产生的热效应紧密相关。波长为0.1～0.2微米的太阳强烈紫外辐射，能使距地表约85公里以上的分子氧光解，形成原子氧。原子氧扩散到200公里以上的高空，在波长短于0.1微米的紫外辐射作用下，形成了离子，并与自由氧分子交换电子，并放出大量热能。另外，氧离子还与氮分子作用，形成氧化氮离子，而氧化氮离子可与电子复合，分子氧离子也可以与电子复合，在这些过程中都放热。

由于在300公里或以上的高空，大气分子稀少，上述三种放热过程的综合作用，就使高空温度升得很高，达1500℃以上。这样从85公里到约250～500公里高度，温度随高度的增加而增高，形成了暖层。在500公里以上，因大气中性分子可逸向太空，故称为散逸层。

波长0.1～0.2微米的太阳辐射在距地表85公里以下的大气中，仍能对氧分子起光解作用并形成氧原子。氧原子十分活跃，很易和氧分子结合，组成臭氧。但这种臭氧所含有的多余能量使臭氧易于分解。但如有第三体M参与碰撞，就可将多余能量带走，使臭氧的结构稳定下来。

在距地表85公里以上，空气较稀，原子氧和分子氧结合时缺乏第三体M的碰撞，难以形成稳定的臭氧。在距地表85公里以下的空间，空气较密，易于发生第三体碰撞，有利于臭氧的稳定。有了臭氧后会发生下列两个放热过程：

这就使距地表约50公里处出现高温。50～85公里的高度范围内形成一个温度随高度增加而递减的区域，称为中间层。通过高层大气而能到达地面的太阳辐射，其波长大于0.3微米。它在低空仅能起到照明和使地面加热的作用。

地面高温和50公里高度的高温之间为相对的低温。地面向上到约12公里处大体上温度随高度而递减，形成了对流层。相对最低温的大气层距地表约12公里，这即为对流层顶。在12公里和50公里高度之间，气温随高度而升高，形成了平流层。

早在17世纪，牛顿就提出了如下设想：散布于空间中的弥漫物质可以在引力作用下凝聚成卫星、行星和恒星。经过历代天文学家、物理学家及其他科学家的努力，该设想已逐步发展成为一个非常成熟的星球形成理论。

根据这一理论，人们普遍认识到：星云物质先凝聚成大大小小的星子，星子再凝聚成卫星或行星。在行星的成长过程中，它们不断吸积轨道附近的物质而变得越来越大，并在星子的撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳下渐渐地远离母星。

伴随着太阳在绕银河系中心旋转的过程中不断地捕获和焚烧各种大小的天体及其他宇宙物质并产生大量宇宙尘埃和气体的同时，地球也在不断地吸积宇宙空间的尘埃、气体、彗星、陨石等物质。由于地球富含水分，容易吸积和凝固宇宙物质，使自身质量不断增长。

据估算，地球现有质量5.977×1024kg，且以每年4万吨的速度增大。还有学者从广义相对论的基本原理出发，证明各大天体在不断增大，地球每年也增加一万二千亿吨，膨胀0.45mm。随着地球成长为庞大的行星，地球周围形成了越来越厚的大气层。据估算，现在地球拥有数千公里的大气层，气体密度随着离地面高度的增加而变得越来越稀薄。探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气。

事实上，地球大气层的形成是地球与大气粒子(分子、原子和尘埃颗粒)之间的万有引力作用的结果。根据万有引力定律：任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们质量的乘积乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成及其间介质种类无关。假设两个质点的质量为m1和m2,其间距离是r，则该两质点的万有引力：

另外，根据匀速圆周运动的规律可知，当一个质点绕地心做匀速圆周运动时，其圆周运动的向心力由地球与该质点的万有引力提供。假设地球半径为R(=637004m)，质量为M，距地面高度为h，质点做圆周运动的线速度为v，则有：

即不论质点的质量如何，它都可以线速度v，在距离地心为R+h的轨道上做匀速圆周运动。如下图所示：

由此可以得出如下结论：

(1)任意一个大气粒子都可以线速度√[GM/(R+h)]绕距离地心R+h的圆形轨道上做匀速圆周运动。距离地心R+h的球面上有很多大气粒子以线速度√[GM/(R+h)]做匀速圆周运动，形成一个薄薄的大气包围层。

(2)当大气粒子的线速度小于√[GM/(R+h)]时，它向地面下沉;仅当大气粒子的线速度大于√[GM/(R+h)]时，它可逃离半径为R+h的球面，向高处运动。

(3)当地球质量增加时，半径为R+h的球面上可捕获速度更快的大气粒子。原来运行在该轨道上的大气粒子因速度落后而向地面下沉，使下层气体密度增加。

(4)对流层中上升的粒子因受到上面多层次高速粒子流的撞击而下沉，形成对流。当地球质量增加时，上面各层许多粒子下沉到对流层，逃不出去，使对流层气体密度增加，气温上升。

(5)随着地球质量的增加，大气层可以吸收更多的来自宇宙空间和人类生产的温室气体，使大气密度增加，温室效应加重。

下表是不同高度的环球轨道可捕获的粒子的线速度极限。对于半径为R+h的圆形轨道来说，低于该轨道线速度的粒子将下沉，常被围困在半径为R+h的球面大气圈内。

全球气候变化通常与地球大气层的变化和演进紧密相关，所以研究全球气候变化应该从大气层的形成与演进着手。根据宇宙星系的形成和演进规律可知，地球的质量在逐渐增加，地球大气层也在逐渐增厚。随着地球质量的增加，大气层可以吸收更多的来自宇宙空间和人类生产的温室气体，使大气密度增加，温室效应加重。这是全球气候变化的主要原因。