地球的力量——大气

2008-10-16科学世界

走近科学 2008年10期

关键词：基辛格甲烷大气层

科学世界

人类居住的星球之所以与其它星体不一样，是因为地球有一层独特的大气圈的保护。大气给地球带来了季节的变化，使地球变得更加美丽。大气层究竟是怎样的呢？

我们的行星—— 地球，是一个神奇的千变万化的世界，充满着各种自然奇观。但是地球本身还有比自然景观更为奇特的东西。

我们要了解的是大气。大气气势磅礴，变化无常。它极具破坏性，同时又保护着我们。它对所有的生命来说很重要，但它也是由生命所创造的。

但是现在大气层正在发生着变化，有可能导致致命的后果。真正了解大气变得迫在眉睫。

大气是由氮、氧以及二氧化碳等气体组合成的混合体，它保护着我们不受宇宙间极低温真空的侵袭。大气由四个主要的大气层组成。为了去探寻大气层，就需要一种特殊的交通工具——一架可以飞得很高的飞机。这是一架典型的高速军用喷气机，19世纪60年代，一直用于高空飞行（图1）。

（1）探寻大气层的喷气飞机

大气层的最底层是我们比较熟悉的，称为对流层。对流层大约有10多千米，我们就生活在其中。对流层是大气中最稠密的一层。这里集中了大气中的大部分水气，可以说是展示风云变幻的“大舞台”:刮风、下雨、降雪、台风、龙卷风、雷电等都是发生在对流层内。它是充满暖湿气体的气层，富含氧气，对地球上的生命至关重要。但它又很不稳定，天有不测风云，说的就是这里的情况。

这架飞机能在几分钟之内穿过薄薄的对流层。

在大约12千米的高空，我们所处的地方，大气压只有地面的18%。到了13千米高的时候，飞机会穿过大气层无形的分界面。穿越对流层，进入平流层（图2）。一个完全不同的地方。这儿的大气很稳定并且非常干燥，所以这里几乎没有天气的变化，平流层是臭氧层的家，臭氧可以削弱到达地球的来自太阳的致命的辐射。

（2）飞机穿过对流层进入了平流层

飞机现在到了15千米的高空，高度约是珠穆朗玛峰的2倍。几乎组成大气的气体的90%都在下面了。这已经是这架飞机能达到的高度极限了。剩下的10%大气随着向宇宙延伸越来越少，直到从这儿往上85千米的太空。

1960年8月16日，在人类踏上月球之前很长时间，飞行员乔·基辛格独自一人到太空的边缘旅行了一次。他不是乘坐火箭，而是利用一个很大的氮气球，他到达了34千米的高空，他的高度达到了平流层上部，是我们这架飞机到达高度的2 倍。然后基辛格做了非常令人惊讶的事情，他跳了下来。

他落到了地球上。速度达到了1000千米每小时，但是他几乎什么都感觉不到。

基辛格:我的耐压服上的布没有褶皱，这是一种超自然的感觉，我看不到任何可作为参照的东西，所以我觉得像是停留在太空里。

只是当他返回到对流层大气层的时候，他感觉到震耳欲聋，但是从他旁边飞驰而过的空气的轰鸣声消除了他的顾虑。

最后他打开了降落伞，这是历史上最高的自由落体。基辛格跳下来仅仅15分钟就到达了地面。从高达30千米的地方降落，基辛格经过了组成大气层的99%的气体。

基辛格:15分钟前我还在宇宙的边缘，现在我觉得那是在伊甸园。我们真的没有认识到，我们拥有多么美丽的星球。

尽管基辛格从高达平流层上部的地方跳下来，他仍然没有到达我们大气层的最远的边界。上面还有两种保护性的大气层，它们如此稀薄几乎不存在，但是对我们的星球，甚至对于我们来说都重要无比。

对流层的外边大概50千米左右，是第三个大气层——中间层，这是一个使我们免受陨石伤害的大气层（图3）。当我们看到流星的时候，那实际上是一颗陨石在大气层的高处燃烧。大部分流星都在中间层里燃烧殆尽。

（3）中间层是让地球免受陨石伤害的第三层大气层

中间层也是一种夜光云的奇怪现象的根源（图4）。它们是稀薄的纤细的云，在夏天地球的高纬度地区出现。只有在日落时被太阳从下面照的时候，才可以看得到。

（4）美丽奇特的夜光云

最后从85千米处开始，是第四个气层—— 热层。之所以这么命名，是因为这里的温度可达上千度。这儿的大气如此稀薄，以至于100千米以外就可以肯定地认为是宇宙的开始（图5）。也是在这之外，致命的太阳风被地球的磁场拦截，并使之转向了磁极，从而创造了极光，大自然最伟大的奇观之一（图6）。

（5）航天飞机在第四气层——热层绕地球飞行

（6）大自然的伟大奇观之一：极光

大气的所有四个层都对生命至关重要。

如果把地球表面的大气层展开，并把它变成一个球，你就会看到，大气层的体积，只是地球的5%，但是如果没有它，地球只会是另一个荒凉的星球。我们这些生命所居住的对流层只是一个10千米厚的窄带，是一条很细的围绕我们星球的线。它是生命必须的、不同的气体的混合物，影响着我们日常生活。它是如此脆弱，以至于我们都可以改变它。

要想了解我们所居住的对流层，就不能把大气层只看作气体，也应该把它当作液体来看。实际上我们生活在大气的海洋中，就像在水中一样。大气层的海洋甚至有自己巨大的漩涡：龙卷风（图７）。

（７）威力巨大的龙卷风

对流层甚至有波浪。澳大利亚昆士兰的一种云实际上是世界上最大的波浪，它可以达到2000米高。当暖湿的海洋气团到达绵长的并且是直的海岸线时，被迫在大陆的边缘上升，当空气冷却下来时便形成云，然后在陆地上以每小时40千米的速度翻滚（图８）。这种云就是我们头上大气海洋的直接证据。像任何一种液体一样，大气层也有重量。每平方厘米上的压力有1000克。

（８）世界上最大的波浪云

我们没有被压毁，甚至感受不到这压力的唯一原因，是我们身体里的空气的压力和外界的压力达到了平衡。我们像在海底行走的龙虾，对上面的液体的重量可以毫不在意，那是因为我们已经适应了。如果你仍然怀疑大气层有液体的性质，可以告诉你有些人甚至可以在上面冲浪。

无可否认这与传统意义上的冲浪相比，有点挑战性，这就是为什么只能让特洛伊·哈特曼这样的专家来尝试的原因。

特洛伊·哈特曼:现在空气是流体的，我确实正站在它的表面。

特洛伊·哈特曼不只是在大气中垂直地下降，也可以水平地移动，天空是他的海洋（图９）。

（９）在天空中冲浪

一旦你接受了大气是液体的观点，你就会意识到地球的大气层为什么能够塑造我们的星球表面的外形，甚至可以切割固体的岩石。

美国亚利桑那州的一些岩石被称为波浪，原因是显而易见的。这些巨大的曲线形状，看起来像是被水雕刻过（图10），然而它们是由一种不同的流体的运动——风雕塑的。

（10）风是大自然的雕塑家

这只是展示了我们周围空气的基本力量，它在不停地工作，不停地塑造陆地。它们可以塑造出巨大的山脊，被称作风蚀土脊（图11）。

（11）风所塑造的巨大山脊

风的冲刷不仅仅是塑造地形。当风吹过撒哈拉大沙漠的时候，蕴含丰富营养物质和矿物质的沙粒和粉尘，被扬到空气中并被吹向大西洋，大部分落进了海洋。但还有一些被风带到了大西洋的彼岸，到了南美的亚马孙雨林。实际上，每年都有4000万吨粉尘被风从撒哈拉大沙漠带到亚马孙雨林。在这儿雨水把大气中的粉尘冲刷到雨林中，这是维持雨林正常生长的重要的营养源。

通过这种方式，不断翻卷的大气层对地球上生命的循环起着重要的作用。

我们周围不断翻腾的空气，以另外一种更直接的方式对我们的星球的运转起着作用，它创造了天气。所有天气的核心因素都是热量。所有的天气，从和缓的微风到猛烈的暴风雨，都是大气热运动的结果。这种大气热运动的规模是全球性的。云是由从海洋和大陆上蒸发的水分产生的。

天气的形式是复杂并且多变的，这是由于大气层和陆地海洋，甚至冰川相互作用的结果。这些在南美洲表现得很典型。

在阿根廷有世界上最猛烈的暴风雨。科学家们是通过统计每年发生闪电的次数，来确定哪儿是世界上暴风雨最猛烈的地方。这个地方位列榜首。

这里有酝酿一场风暴的所有条件。这里的地形是两种强大力量互相竞技的完美舞台，它们有截然不同的性质：一种是暖湿，一种是干冷。从亚马孙盆地过来的空气又暖又湿，富含水气。它与来自南极的冷空气迎头相撞，暖湿气流急剧抬升，产生了强烈的雷暴。冷暖气流产生的冲突是风暴的核心原因。但是这里的风暴异常猛烈，还有地形上的原因。

这里有安第斯山脉，地理状况是促进雷暴形成的重要因素。两种气团碰撞交锋的同时，暖空气又被山脉抬升，于是形成了地球上最强烈的雷暴。

闪电是空气团相互作用的结果。在产生暴风云的同时，湿气上升时冷却的小水珠凝固，一些变成了小的冰晶，一些变成了大一点的冰块。两种不同的冰相互碰撞产生了电，达到了一定程度以后产生了电场，接下来就会和地面接触。

雷电在大气层中越高就越难以琢磨，越壮观（图12）。

（12）闪电是空气团相互作用的结果

大气的力量塑造了地球，创造了天气。大气在地球历史上发生过什么变化，大气与生命的关系又如何呢？

45亿年前，地球刚形成不久大气圈就形成了。早期地球充满火山，亿万年中，这些火山喷发出大量气体，这些气体缓慢聚合创造了大气层。不过，那时的大气层不像我们今天的大气层，它是二氧化碳、甲烷和有毒的硫化氢蒸汽聚合在一起的不折不扣的毒气。这些致命的混合物，孕育某些东西长达20亿年。

想知道原始生命是如何改变大气的吗？这需要前往一个地球上极少有的能找到原始生命的地方。

这就是西澳大利亚“鲨鱼湾”。这里的海里布满层叠石，某种意义上来说，它们曾经是最成功的生命。遥遥领先于随后出现的人类、猛玛、哺乳动物和所有与后者类似的生物。

层叠石40亿年前出现，它们是最简单的生命形式之一的细菌，这些细菌作了一件石破天惊的事情，它们吸收阳光的能量，进行光合作用，分解水的化学键，产生了彻底改变地球面貌的东西——氧气。它们是最早的产生氧气的生命，而且是大量的。大概25亿年前，遍布世界各地浅海的层叠石，导致了地球历史上一次天翻地覆的巨变，最终，我们的星球有了富含氧气的大气层。

那时候海水里溶解了大量铁。当叠层石生成的氧气遇到铁，产生了化学反应，生成了大量的铁氧化物，也就是铁锈。铁锈不断在洋底堆积，一层又一层地累积，结果产生了巨大厚重的岩石。

大约20亿年前，海洋中所有的铁都变成了铁锈，没有什么再能和氧气反应。氧气只能去一个地方，离开海洋进入大气层。氧气做的第一件事是进入平流层给地球加上了一层重要的保护罩——臭氧层。

臭氧层保护地球免受来自太阳的致命紫外线辐射，使复杂生物能在地球表面繁荣生长。这是因为氧气是高度活性的，能支持比细菌更有活力的物种。感谢富含氧气的大气层，地球最终变成了一个温馨的家园，开始适合多样性生物的居住，同时，最重要的是有了我们人类。一切的一切，都要感谢向大气层里释放氧气的层叠石。

是生命创造了氧气，反过来，氧气戏剧性地又是生命必须的。

当然，还有其他气体对于我们在地球上生存有着重要意义。它们来自于地球另一种极具破坏性的力量——火山。当火山喷发时，致命但又十分重要的气体二氧化碳产生了，数十亿年来，二氧化碳在大气层中扮演着“热罩”的角色（图13）。

（13）火山喷发所产生的二氧化碳对于地球的生存同样有着重要意义

它把阳光带来的热量限制在地球上，使地球能保持温暖。没有这层二氧化碳，地球上的温度会降到－10℃而变成一个冰封的世界。正是因为有了像二氧化碳这样的温室气体，生命之花才能在地球上常盛不败。

但是现在人类排放了过量的二氧化碳到空气中，因为燃烧碳基的矿物燃料，比如：煤矿、石油、天然气，使得大气层二氧化碳浓度有所变化，导致整个地球的温度也发生了改变。了解这一潜在危险的线索在西伯利亚。

西伯利亚地区也许是未来遏制全球气候变暖的关键。这里是地球上最遥远和寒冷的地方，多年－40℃的低温，冻结了包括土地在内的一切。这片冰原下的永久冻土中，隐藏着潜在的气候灾难。那就是甲烷，它是比二氧化碳要强得多的温室气体。危险在于，如果冻土因全球变暖而融化，将会释放出大量甲烷。这种情况其实已经开始发生了。这里有湖泊，大量死掉的植物沉入湖泊底部，在湖底发酵，湖底的微生物以死掉的植物为原料，产生甲烷。甲烷是它们消化过程中的副产品，从湖底沉淀物里升起，然后被禁锢在冰里。这里的冰有1米厚，冰里面截留了大量的气泡（图14）。当冰在春天融化时，气体就会逃走。

（14）冰层里存有大量的甲烷气泡

有一个方法可以检测这些气泡里到底有多少甲烷，因为甲烷是可燃气体。在冰上打一个洞，就有了一道甲烷气流，你点燃的时候，会有一大团火焰（图15）。这些气泡满地都是，意味着这里有大量甲烷被截留着，这是一个严重的隐患。如果进入大气层会导致严重的连锁反应，全球变暖将导致永久冻土融化，就会生成更多的甲烷，使全球变暖加剧。