书名：大自然的礼物——关于空气和水的科学之旅
定价：68.0
ISBN：9787030490490
作者：（法）勒内·莫罗著；王晓东等译
版次：1
出版时间：2016-06

在线试读：
第*章 静态的大气
空气中充满着想逃逸的、神奇的东西。——查尔斯.波德莱尔，《巴黎画家》
地球是一个两极稍扁平的球体。它的平均半径约为6370km，赤道周长近4万公里。地球被一种奇妙的混合气体——空气所组成的大气层包围着，人类与种类繁多的动植物生活在其中。我们呼吸着空气并穿行其间，我们的目光穿透其中，我们感受着天气的变幻莫测。这样的场景是如此的熟悉，我们的生命离不开空气，然而，我们真的很了解这样的大气层吗？几个世纪以来，随着对空间的不断探索，人类获得越来越精确的大气信息，直至今日，我们对大气层有了更好的了解，已能理解大气变化的主要原理和属性。为了对它有一个全面的认识，本章先从讨论静态的大气层开始。
第*节大气层的结构
大气层的范围向上可延伸到两个区域：地磁层和非均质层，在这两个层中大气已经变得非常稀薄了，接近真空（见附栏1.1）。地磁层是为地磁场的磁力线所包围的区域，可以保护地面生物不受太阳发出的宇宙射线的直接影响。由于会被太阳风层的厚度随昼夜交替变化很大，白天背向太阳的一侧可达数千千米，而面向太阳的一侧却会收缩很多。在非均质层中，各种物质的浓度都变得极低，均小于它们在土壤中浓度的十万分之一。非均质层是外层空间与地球之间的过渡区域①。这里，我们不进一步描述这一过渡区域的属性，而是将我们考察的区域限定为大气中密度更大、更接近于地面的部分，这个区域被称为均质层，厚度为100km左右。相对而言，均质层为我们所熟知，可通过飞机和气象气球等对其观测。
附栏1.1词源点滴
很多地球物理的概念需要在知道精确的希腊词汇和拉丁语根的基础上才能了解它的意义。例如，下面3个基础希腊词汇：sphaira（球），也可指非球形的闭合体；genos（希腊语意为“起源”），也衍化为“基因”的意思；动词skopein（希腊语意为“观察”），该词广泛用于光学领域，取“观察”或“测量”之意。此外，以某些拉丁单词为前缀，可以知道一些希腊词汇的含义。例如，Pausa，拉丁语意为“停止”或“删除”。此外，还有与《homo》类似的homos（希腊语意为“相似”），《hétéro》，希腊语heteros意为“其他”，《Macro》，希腊语makros意为“很大”，《Méso》，希腊语mesos意为“中间”，《Micro》，希腊语mikros意为“很小”，《tropo》，希腊语trepein意为“改变者”。两个前缀：《Magnéto》，希腊语写为Magnes，意为“磁石”或“磁铁矿”；《Strato》，希腊语stratos意为“层”。大部分地球物理词汇均源于此，尤其是一些较晚定义的大气层词汇：地磁层（magnétosphère）、非均质层（hétérosphère）、均质层（homosphère）、中间层（mésoshpère）、平流层（stratoshpères）、对流层（tropshpères）、平流层顶（stratopause）和对流层顶（tropopause）。一些经常用到的词汇：宏观（macroscopique）、介观（mésoscopique）和微观（microscopique），使用范围已经超出了物理学范围。如果把地球比喻成一个漂亮的苹果，均质层也就仅相当于数毫米厚的苹果皮！在均质层中的所有气体物质受地心引力的作用都紧紧地包围着陆地和海洋，根据主要物理属性的差异，均质层还可分成3个明显相互区别的亚层：*远的是中间层，它是到非均质层的过渡区域，靠近地面的是对流层，而平流层位于中间层与对流层之间。在日常用语中，大气层的基本概念相对比较模糊，要么是指对流层，要么是指整个均质层。
图1.1示出了3个层内温度随高度增大的变化。根据物理机制的不同将均质层分为由平流层顶和对流层顶间隔的3个亚层。这里，我们不讨论常见于专业文献的细节，而是更多地关注各层的物理效应与机制。首先要指出的是，仅对流层的质量就占了大气层总质量的80％以上，这部分质量的一半所对应的海拔高度为5500m。
图1.1均质层（对流层、平流层和中间层）中温度随海拔变化的典型分布
对流层中的温降主要是由地表附近的传导和对流所决定的。平流层中的温升则源自于臭氧层吸收了太阳的紫外线辐射。在中间层中没有显著的加热效应，因此气温重新呈现随海拔升高而降低的规律对流层的特点是温度和压力都随海拔的升高而逐渐下降。海平面处的平均温度为15℃，平均压力为1013hPa（或mbar），密度为1.2kg/m3，是水的密度的1/800。温度随海拔近似线性变化，即海拔每上升1km温度约下降6.5℃。到达对流层顶的温度为-56℃，这一温降可由对流层与地表之间的传导和对流传热进行很好的解释。这也意味着任何海拔处的空气温度都比下方低而比上方高，而比它上面空气的温度要高。地表的热量也源于穿过几近透明大气层的太阳辐射。更多的相关内容将在后面（第*章第四节大气层热力学）介绍。对流层也会吸收部分由地面反射来的红外辐射热，其余的热量则全部散失到了外层空间。温度在对流层中线性下降反映出了传导和对流在空气相对稠密的对流层中的传热机制，其平均温降为6.5℃/km，温降的差异反映了该区域内空气的热导率的显著变化，水蒸气饱和时潮湿空气的热导率为5℃/km，而干燥空气的热导率为9℃/km，其余情形则在这两个值之间变化。
此外，压力随海拔升高而呈指数下降。这一属性是整个对流层在重力作用下达到平衡的结果，这易于从直观的表达式中导出。如图1.2所示，任取一个区域ABCD，区域内的空气必然受到两个方向相反、大小相等的力的作用才能平衡。ABCD区域内的空气受到的重力方向向下。AB和CD线之间的压力差dp产生向上的推力②。显然，AB线上的压力要大于CD线上的压力，dp必然为负，并随海拔升高而降低，但推力的方向始终向上。
在对流层中，重力和绝对温度的变化非常小，可近似为常数。另外，根据状态方程可认为该层大气非常接近于理想气体①，密度的变化大致与压力成正比。这是局部压力的变化与整体的压力变化成比例的结果，于是压力和海拔之间就构成了显著的指数函数关系。
图1.2对流层中压力关于海拔的指数衰减关系
这一关系意味着在对流层内相同高度而不同海拔处的压力降是不一样的。海平面处的压力降约为110hPa/km②，勃朗峰顶（4810m）的压力降约为70hPa/km，在跨大西洋航班的飞行高度上（大约10000m）的压力降为40hPa/km。需要说明的是，在此海拔处，空气的密度仍足以使飞机的机翼产生足够强的升力，但在海拔15000m处，空气的密度只有地面附近的1/5。在其他条件相同的情况下，飞机在极稀薄空气中的操控性将变差；但是在稀薄空气里飞行的阻力也要小很多，从而在同等油耗下飞机可飞得更快①。这就解释了为什么飞临此高度的飞行器不需要设计成大翼展的机翼，而只采用小尾翼以控制其稳定性；而只有尾翼的火箭是由反应器来引导和推动的。
为了更好地理解对流层中压力随海拔升高而迅速下降的效应，我们假设登山者从海平面处出发一直攀登到勃朗峰顶，当他到达峰顶时，空气的压力和密度差不多减少了一半。与出发之时相比，登山者的呼吸必须快出一倍来，才能使他的身体获得与出发时同样的氧气量，同时，他的心率也要从每分钟60次增至120次。对于大多数身体健康的人来说这是没问题的，这也解释了为什么那么多人喜爱攀登标志性的山脉阿尔卑斯山。然而，喜马拉雅山的顶*高约8000m，那里空气的压力和密度减至1/3。若登山者达到这样的高度，则呼吸将比在海平面处快上3倍，心率达到每分钟180次，甚至高于之前爬坡时的心率，这对他来说十分困难。只有受过专门训练的运动员，在海平面处的心率低于每分钟50次，并且携带氧气设备才能做这样的高山运动。
再介绍其他几个有关对流层的属性。对流层的平均厚度约为10km。除了存在前述的大气压力，地球自转还将产生指向外太空的离心力②，离心力在赤道处*大，向两极方向逐渐减小，极地处为零。由于离心力的变化，对流层的实际厚度在两极处为7~8km，而在赤道处15km。
本章描述的大气的平均属性，与接下来两章所讨论的扰动和搅动等骤然变化的天气现象不同。但是，这些与扰动相关的重要属性可以被较好的估计。