第一個(gè)專題呢，先讓我們來更詳細(xì)了解一下大氣圈的結(jié)構(gòu)。

大氣圈是地球最外部的圈層，也是地球所有各圈層中最活潑，最不穩(wěn)定，變化最快的圈層之一。受到其它四個(gè)圈層的直接作用與影響，與生命活動(dòng)有最密切的關(guān)系，直接影響著人類的生存條件和各種活動(dòng)。氣候系統(tǒng)中其它圈層變化產(chǎn)生的最后影響結(jié)果都會(huì)反映在大氣圈中，因而是氣候系統(tǒng)的中心。要看出地球大氣圈的重要性，最好是比較一個(gè)沒有大氣圈但又與地球位置非常接近的星體。那大家自然而然就想到了月球。

月球沒有大氣層，也就沒有雨，沒有空氣和雨水的腐蝕，月球表面的巖石不會(huì)風(fēng)化，不管多少年都保持著原樣，沒有大氣層，就沒有風(fēng)，月球上的灰塵不會(huì)被吹起。所以，阿姆斯特朗在月球上的腳印估計(jì)能保存到月球滅亡。沒有大氣層，隕石靠近月球時(shí)不會(huì)在大氣層中燃燒掉，只會(huì)直接撞向月面，導(dǎo)致月球表面的環(huán)形山特別多、特別大。沒有大氣層，聲音也無法在月面上傳播。月球晝夜溫差非常大，白天太陽(yáng)直射的時(shí)候溫度可高達(dá)127攝氏度，而夜間又會(huì)下降至零下183攝氏度。所以，大氣圈對(duì)于我們非常重要。

正如我們前面的課程所介紹的，地球大氣圈有非常明顯的垂向結(jié)構(gòu)，分成對(duì)流層、平流層、中間層，熱層和散逸層。地球大氣的總質(zhì)量主要集中在大氣圈的底部，其中一半集中在0~5km高度范圍內(nèi)。大氣圈頂部逐步過渡為星際空間分布密度極小的星際氣體。大氣圈最外面的界限距離地面有2000~3000km。這真可謂是不知天高地厚呀！除此之外，大氣圈在水平方向上也存在著非均一現(xiàn)象，這是因?yàn)樘?yáng)直射和斜射所造成的。我們下面主要介紹與我們?nèi)祟惿鐣?huì)活動(dòng)最密切相關(guān)的對(duì)流層，還有平流層之上的一個(gè)電離層。

對(duì)流層是大氣圈的最下一層，平均厚度為10km左右，夏季厚度大于冬季。雖然對(duì)流層厚度不到大氣圈的1％，但集中了大氣質(zhì)量的3／4，大氣水汽的90％。主要天氣現(xiàn)象如云、霧、雨、雪、冰雹都在該層形成。水平方向上的物理屬性比較均勻的巨大空氣塊，稱做氣團(tuán)，我們這里所指的物理屬性包括溫度、濕度、穩(wěn)定度等。該水平范圍可達(dá)數(shù)百萬(wàn)平方公里以上，垂直尺度可達(dá)幾公里到十幾公里以上。我們可以根據(jù)它們溫度的差異分為熱氣團(tuán)和冷氣團(tuán)兩種；兩種不同性質(zhì)的氣團(tuán)相遇的時(shí)候，它們之間會(huì)形成一個(gè)過渡區(qū)，這里的氣象要素值會(huì)發(fā)生急劇變化，稱為鋒區(qū)。鋒區(qū)與地面的交線稱鋒線。由于鋒區(qū)的厚度與氣團(tuán)尺度相比要小得多，因而把它視為一個(gè)面，稱為鋒面。

在大氣層60千米以上的區(qū)域，整個(gè)地球大氣層處于部分電離或完全電離的狀態(tài)。能使無線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射。1899年，尼古拉·特斯拉就是開始嘗試使用電離層來進(jìn)行遠(yuǎn)舉例的無線能量傳送。后來還主要用于短波收音機(jī)。在大氣圈外層，雖然太陽(yáng)紫外線比較強(qiáng)，但氣體過于稀薄，電離現(xiàn)象難以發(fā)生。大氣圈的內(nèi)層雖然空氣比較稠密，但到達(dá)那里的紫外線因受上層大氣的吸收致使強(qiáng)度太弱，電離現(xiàn)象也不明顯，所以只有在一定高度上，氣體足夠稠密而紫外線又有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，才能電離形成密度較高的游離電子，高空氣體幾乎不發(fā)生對(duì)流，所以空氣主要組分氧氣、氮?dú)庖约瓣?yáng)光輻射激發(fā)分解出的氧原子和氮原子分別按其比重呈層狀分布，相應(yīng)地，電離密度也是呈層狀分布的。

在大氣圈中，N₂占78%，O₂占21%，其實(shí)還有一個(gè)惰性元素氬（Ar）占0.93%，這幾種氣體既不吸收也不沒有熱輻射；CO2，CH4，N₂O和O₃等痕量氣體雖然只占大氣總體積混合比的0.1%以下，但會(huì)吸收和放射輻射，在地球能量收支中起基本作用，對(duì)地球氣候有重大影響，所以我們?cè)跉夂蜃兓?，非常關(guān)注這些氣體的濃度，特別是濃度的增加。有人可能會(huì)問，水汽（H₂O）不是最強(qiáng)的溫室氣體嗎？是的，水汽的確是最強(qiáng)的溫室氣體，還可通過相變轉(zhuǎn)化成水滴、云滴與冰晶，對(duì)地球氣候影響也非常大。但是，我們要知道，與其他氣體不同，水汽可以簡(jiǎn)單地通過相變進(jìn)出大氣圈，并沒有穩(wěn)定的混合比，充其量只是對(duì)氣候變化起推波助瀾的作用，而不是決定性的作用。其他幾種溫室氣體，一旦進(jìn)入大氣圈，要減少它們則是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。

剛才說了，臭氧是一種溫室氣體，對(duì)流層和平流層之間的臭氧層吸收太陽(yáng)紫外輻射，在平流層的輻射平衡中起著重要作用；我們?cè)?jīng)說到南極洲上空臭氧層的空洞呀，都非常擔(dān)心，也是人類破壞大氣化學(xué)的一個(gè)重要案例。這里顯示的這張圖，是2015年9月英國(guó)利茲大學(xué)的科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上所發(fā)表的一篇文章的插圖。該文指出，南極洲上空臭氧層空洞近些年來出現(xiàn)了恢復(fù)跡象。這要感謝1987年簽訂的《蒙特利爾議定書》，人類的這一努力持續(xù)了近30年，現(xiàn)在看來，環(huán)境政策確實(shí)發(fā)揮了作用。另外，懸浮的固態(tài)、液態(tài)氣溶膠與云層以極其復(fù)雜的方式，同入射太陽(yáng)輻射和射出長(zhǎng)波輻射盡心相互作用，影響地球的氣候變化，也正日益引起人們的關(guān)注。

為了便以理解后面的問題，我們先來了解幾個(gè)概念。這些概念也許你們?cè)谖锢砘瘜W(xué)這門課中會(huì)學(xué)習(xí)到，我們這里只是簡(jiǎn)單提一下。自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度（-273℃），就存在分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，其表面就不斷地有熱輻射。輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的，也就是具有一定的譜分布，我們這張圖上顯示的就是不同電磁波的譜分布范圍。這種譜分布與物體本身的特性，特別是溫度極其相關(guān)，因而被稱為熱輻射。我們后面會(huì)看到，紅外成像設(shè)備能探測(cè)到這種紅外線，反映物體表面的紅外輻射場(chǎng)，即溫度場(chǎng)。同時(shí)，任何物體還都具有不斷吸收和反射電磁波的能力，那么這些物性對(duì)于我們研究該物體本身的輻射是有干擾的。所以物理學(xué)家們就定義了一種理想的物體黑體，以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。所謂黑體，指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射，只有黑體本身的向外輻射。黑體輻射簡(jiǎn)單說來就是熱平衡物體的輻射譜，其輻射的譜，同物質(zhì)是什么種類沒有關(guān)系，只與輻射物質(zhì)的溫度有關(guān)。雖然叫黑體，但黑體并不是說它必須是黑色的，二者幾乎沒有什么聯(lián)系。例如太陽(yáng)為熾熱的氣體星球，也不是黑色的，但我們完全可以認(rèn)為射向太陽(yáng)的電磁輻射是很難被反射回來的，所以我們?cè)谘芯恐芯涂梢哉J(rèn)為太陽(yáng)是一個(gè)黑體。當(dāng)然，絕對(duì)黑體是不存在的。

一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度越高，輻射出的總能量越大，短波成分也就越多。這樣的規(guī)律，我們一般用兩個(gè)定律來描述，一個(gè)是維恩位移定律，也就是說，溫度越高，輻射譜線最強(qiáng)波段的波長(zhǎng)越趨近短波長(zhǎng)；反之亦然。還有一個(gè)叫做斯特凡-波茲曼定律，溫度越高，黑體輻射發(fā)出的能量通量就越高。

維恩位移定律在實(shí)際中有非常豐富的應(yīng)用，具體表現(xiàn)為熱象圖，也就是通過比較物體表面不同區(qū)域的顏色變化情況，來確定物體表面的溫度分布。比如，小尺度來講，可以用來監(jiān)測(cè)人體某些部位的病變，大尺度上，可用于遙感中監(jiān)測(cè)森林防火。目前，熱象圖的應(yīng)用范圍日益廣泛，在宇航、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等方面應(yīng)用前景非常好。

自然界中的太陽(yáng)光是復(fù)色光，人工制造的日光燈、白熾燈等所發(fā)出的光也是復(fù)色光。所以，復(fù)色光不單單指太陽(yáng)發(fā)出的白光，但白光一定是復(fù)色光。為了能識(shí)別復(fù)色光中各種波長(zhǎng)（或頻率）的光，我們一般用三棱鏡來區(qū)分，因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的光在介質(zhì)中有著不同的折射率，最終的出射光出現(xiàn)色散現(xiàn)象，投映出連續(xù)的或不連續(xù)的彩色光帶。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射被稱作可見光。

人眼能看到的顏色。是不是一種顏色對(duì)應(yīng)一種波長(zhǎng)呢？如果是這樣，那么為什么紅色兌綠色，可兌出黃色呢，紅綠藍(lán)混合可以兌出白色？紅、綠、藍(lán)就是我們所說的色光三原色，如左邊這張圖所示，我們的三原色還可以兌出更多的顏色組合，電腦顯示器的眼里就是采用RGB輸出。除色光三原色外，還有另一種三原色，稱顏料三原色。因?yàn)轭伭衔展饩€，而不是將光線疊加，因此顏料的三原色就是能夠吸收紅綠藍(lán)的顏色，也就是其補(bǔ)色，分別為青、品紅、黃，俗稱CMYK，也就是我們的噴墨打印機(jī)墨水顏色的組合。

那么，究竟什么是顏色？其實(shí)顏色就是我們?nèi)祟惔竽X在可見光范圍內(nèi)對(duì)不同光譜的識(shí)別和認(rèn)識(shí)。據(jù)說人類可以分辨約1千萬(wàn)種顏色。其實(shí)，人類的視覺能識(shí)別的顏色，比光譜更豐富，譬如女生最喜歡的粉紅色，還有其他的諸如褐色，雖然人類能夠輕易識(shí)別，但光譜就沒有包含這些顏色，所以光譜和顏色是有區(qū)別的。也就是說，某種顏色并不一定能找到對(duì)應(yīng)的光譜，更可能是多種光譜的組合，也就是說，它是復(fù)色光，而且可能有無窮多種疊加方法可以讓人感受到這種粉紅色。

前面說到，光譜的組合所產(chǎn)生的顏色讓我們感受到了這個(gè)色彩豐富的世界。接下來，我們的問題是：為什么晴朗的白天是藍(lán)色的，要回答這個(gè)問題，我們先要學(xué)習(xí)一個(gè)定律——瑞利散射，該定律說，半徑比光的波長(zhǎng)小很多的微粒會(huì)對(duì)入射光進(jìn)行散射，散射光的強(qiáng)度和入射光波長(zhǎng)λ的4次方成反比。也就是說，在天空中的可見光中，波長(zhǎng)較短的藍(lán)光比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光更易散射。這是我們?cè)诘孛婵吹降那闆r，而且在雨過天晴或秋高氣爽時(shí)，空中較粗微粒較少，主要以分子散射為主，在大氣分子的強(qiáng)烈散射作用下，蔚藍(lán)色彌漫天空。設(shè)想一下，如果我們能乘坐飛船順著大氣層繼續(xù)垂直抬升，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一系列變化，大氣密度隨高度急劇降低，大氣分子的散射效應(yīng)也相應(yīng)減弱，天空的顏色也會(huì)隨高度的增加由蔚藍(lán)色變?yōu)榍嗌?，這出現(xiàn)在約8公里的地方、然后在約11公里處是暗青色、13公里處是暗紫色、21公里處是黑紫色，再往上，空氣非常稀薄，大氣分子的散射效應(yīng)極其微弱，天空便為黑暗所湮沒?？梢哉f，瑞利散射的結(jié)果，減弱了太陽(yáng)投射到地表的能量。

同樣的道理，可以解釋海水的顏色。在清潔的大洋水中，懸浮顆粒少，粒徑小，分子散射起著主要的作用，其散射服從瑞利散射定律,呈深藍(lán)色。

而當(dāng)日落或日出時(shí)，太陽(yáng)光在大氣中要走相對(duì)很長(zhǎng)的路程，我們所看到的直射光中的波長(zhǎng)較短，藍(lán)光大量都被散射了，只剩下紅橙色的光，這就是為什么日落時(shí)太陽(yáng)附近呈現(xiàn)紅色，而云也因?yàn)榉瓷涮?yáng)光而呈現(xiàn)紅色，但天空仍然是藍(lán)色的。

好了，這一部分的內(nèi)容結(jié)束了。我們其實(shí)在本節(jié)內(nèi)容中，除了介紹大氣圈的結(jié)構(gòu)之外，還附帶介紹了大氣圈中的一些自然現(xiàn)象，希望對(duì)大家有用，再見。