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【專欄】對大氣層的再認識

2019-12-09 17:25
2006年1月,美國NASA 的Aura衛星對流層發射光譜儀顯示資料,臭氧(見上圖)和一氧化碳(見流覽視圖)的兩種大氣空氣污染物的相對濃度。圖/NASA所有,擷自公有領域,維基共享資源
2006年1月,美國NASA 的Aura衛星對流層發射光譜儀顯示資料,臭氧(見上圖)和一氧化碳(見流覽視圖)的兩種大氣空氣污染物的相對濃度。圖/NASA所有,擷自公有領域,維基共享資源

大多數人的我們,可能不太了解地球的大氣層,更不用說,人類對地球的影響有多大了。

白天凝視著天空,很難掌握那裡發生了什麼事情。我們似乎非常接近它,但卻覺得神秘遙遠。維持我們呼吸生命的空氣,像一條淡藍色的安全毯,一樣包圍著我們的星球,讓重力緊緊地抓住我們。我們看到鳥、飛機、雲的拼湊,在某些地方,空氣卻是污染。再遠一點,熾熱的太陽掛在天空中,月亮就照耀著我們。從地球的角度看,很難說大氣層在哪裡結束,空間從何而來。那樣的氣氛就像一個多層次的蛋糕一樣。

然後黑暗降臨,穿過漆黑的黑暗,一個入口通向天堂,只有月亮、星星和宇宙的光穿插著。夜幕降臨,使我們的氣氛變得更加令人費解。只有當我們從獨特的空間視角看地球時,大氣層真正的本質才會變得明顯。從地球軌道,我們獲得了進入地球的新視窗。在我們之下,大氣層的邊緣,被稱為地球的「邊緣」,看起來像一個發光的色彩光環,一個發光層蛋糕,逐漸褪色到黑色的空間。突然間,我們的氣氛,似乎如此巨大和神秘的地面,似乎令人震驚薄層,甚至脆弱。一位退休的美國NASA宇航員說「當你看到國際空間站的......大氣層在地球的邊緣,我不會說它看起來不健康,但它肯定看起來非常,非常脆弱,只是有點像個薄膜,所以它看起來像我們絕對需要照顧的東西。」

大氣層又稱大氣圈,是因重力關係而圍繞著地球的一層混合氣體,是地球最外部的氣體圈層,包圍著海洋和陸地。從下到上大氣層可以分為五層:對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。我們平時說的臭氧層是平流層中臭氧濃度高的部分:

1、對流層

地表以上大氣層的第一層,厚度約為8-17公里,厚度因季節和緯度而變化。特點:大氣對流運動顯著,冰霜雨雪等天氣現象都發生在對流層;對流層之中,每升高100米氣溫下降0.6攝氏度。

2、平流層

距地表約10-50公里處的大氣層,位於對流層之上,臭氧層位於平流層之中,位於距地表20-30公里高處,可以吸收紫外線,避免和減少紫外線對地表生物造成的傷害。特點:大氣水平運動為主,較穩定,幾乎沒有風雨雷電天氣,這也是其名為平流層的原因。平流層適合飛機的飛行,很少有氣流擾動,較為安全。

3、中間層

也叫高空對流層,自平流層頂到85公里之間的大氣層。特點:溫度垂直遞減率很大,空氣垂直對流運動強盛。

4、暖層(電離層)

自中間層頂到 800 公里高空屬於暖層。特點:電離層能夠反射無線電波,在遠距離無線電通訊中具有重要意義。但是當太陽活動強烈時,電離層受到擾動會影響地球無線電通訊。

5、散逸層(外層)

暖層頂之上,延伸至距地球表面1000公里處。是地球大氣層向宇宙空間的過渡區域,但是卻沒有明顯的分界。因為距離地表很遠受到地球引力約束比較弱,一些高速運動的空氣質點,就能散逸到星際空間。通常把1000公里之內,即電離層之內,作為大氣的高度,即大氣層厚1000公里。特點:溫度很高,可達數千度,大氣已極其稀薄。

通常把1000公里之內,即電離層之內作為大氣的高度,即大氣層厚1000公里。也就是說,是地球半徑的六分之一左右。事實上,若沒有它,我們所知道的生活就不會存在。它不僅含有我們生活所需的氧氣,而且還保護我們免受有害的紫外線太陽輻射。它會產生壓力,少了這種壓力,液態水就不會存在於我們的星球表面。它溫暖了我們的星球,使地球的溫度適合我們生存、居住。

一種有助於保持大氣穩定的「激進」化學品

地球大氣的化學成分非常穩定,為動植物提供了一個相對安全的地方。然而,即使是我們呼吸的空氣品質的微小變化,也會對我們的健康產生深遠影響。瞭解穩定性、人類可能影響的方式,以及它如何與更廣泛的地球系統相互作用,是大氣化學的關鍵研究任務。

科學家對OH有很多疑問。他們想知道它有多穩定,從大氣中清洗這些化學物質的速度有多快,以及大氣中的清潔能力在過去是如何變化的,將來可能會改變。科學家還想知道氣候變化,如何影響OH的穩定性。例如,甲烷(一種強效溫室氣體)的持續增加將消耗OH,導致空氣品質惡化。

目前,地球上中高層大氣氫氧根(OH)自由基,在大氣物理化學過程、全球氣候變化、大氣臭氧水平以及酸沉降等重大環境問題中的作用機制還不甚明瞭,亟待加強研究。中高層大氣參量OH自由基,作為一種「氧化劑」,對人類理解中間層化學成分,尤其是對臭氧層的破壞、中間層頂水氣濃度反演意義重大。將一維分視場成像技術和空間外差,干涉光譜技術相結合,利用二維正交觀測模式,有望實現中高層大氣OH自由基數密度的三維層析探測。

OH是大氣中一種最重要的氧化劑,對流層大氣中幾乎所有的可被氧化的痕量氣體,主要是通過與OH反應而被轉化和去除的。對許多重要化合物而言,與OH的反應,是它們降解的方式。因此,OH的濃度決定了它們在對流層中的大氣壽命。大氣中OH濃度水準可作為大氣氧化能力的指標,也是局地大氣對痕量污染氣體自清潔能力的一個量度。所以,OH又有大氣「清潔劑」之稱。大氣中OH主要來自O3紫外光解產物的O(1D)與空氣中水分子的反應,因此O3濃度、空氣濕度和紫外輻射強度,決定著OH的生成速度,而各種消耗OH的物質的含量與反應活性,則決定著OH去除速度。大氣OH濃度(或大氣氧化能力)變化趨勢取決於OH的生成和消耗速度。對流層白晝化學是以OH為主,OH的外層電子層有不配對電子,它總是傾向於獲取電子,具有很高活性,因而對大氣微量成分起強氧化劑的作用。

為了預測OH淨化大氣的能力的變化,科學家依靠基於衛星、飛機和地面測量資料的大氣模型。對古代氣候的研究表明,這些模型低估了OH對氣候變化的敏感性。因此,我們的大氣可能比我們想像的更具變數,OH 最終的變化可能比預測的要快得多,從而對地球表面空氣品質、溫室氣體和臭氧的濃度造成有害影響。量化OH對科學家來說一直是個挑戰,因為它無法直接測量。過去,科學家通過跟蹤另一種微量氣體甲基氯仿(methyl chloroform)的數量,來得出對OH的估計,甲基氯仿在20世紀50年代被廣泛用作工業溶劑,是當時炸彈爆炸造成的。甲基氯仿只與OH發生反應,OH會慢慢破壞它。但是甲基氯仿最終被其他溶劑所取代,隨著時間的推移,它在大氣中的濃度已經下降到,足以不再可用於估計OH。

來自Aura衛星的對流層輻射光譜儀(Tropospheric Emission Spectrometer,TES)等儀器的觀測為研究人員,提供了另一種方法,通過產生「化學天氣預報」的大氣電腦模型來估計OH。TES對臭氧、一氧化碳和二氧化氮等受OH影響的許多其他化學元素的測量,使科學家能夠在這些模型中更好地代表OH。迄今為止,基於TES資料的研究表明,北半球的OH比南半球多,與甲基氯仿濃度一致,而且OH對排放量的變化很敏感,特別是在熱帶地區。


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