22大气热状况

地球表面的气温变化为什么不像月球那样剧烈？

　　月球是地球的一颗卫星，是宇宙中距地球最近的一颗星球。月球表面的重力只相当于地球表面重力的六分之一，因其重力小，保留不住大气和水汽，因而月球上没有大气层，这就使得月球表面气温日较差很大，白天在阳光照射的地方温度可达127℃，晚上却下降到—183℃。而地球大气层能对地球表面气温起着调节和保温作用。由于大气对太阳辐射的吸收、反射和散射，使到达地面的太阳辐射减弱，使地表白天气温平稳上升。大气在增温的同时，也向外放出红外线长波辐射。大气辐射除一小部分向上射向宇宙空间外，大部分向下射向地面(即大气逆辐射)，使地表夜间气温冷却缓慢。因此，地球表面气温昼夜变化比较和缓，不像月球那样剧烈。

远山为什么是蓝色的？

　　阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光组成的，但是大气对不同颜色的光散射强度不同，散射蓝紫光最多，散射红光最少，散射出的蓝紫光可达红光的10倍以上。由此看来，空气主要将阳光中的蓝光散射到四面八方，使你在晴朗的天气里仰望天空，是蔚蓝色的，这是空气中的蓝色散射出光射入你的眼睛，便使你产生了蓝色的视觉。

　　由于远山和我们之间隔着厚厚的空气，远山的反射光会被空气不断吸引和散射，使其本身的颜色变得很弱，完全被空气中蓝色散射光的颜色所掩盖。这样，当远山的反射光与空气中的蓝色散射光一同射入你的眼帘时，你便觉得所有的远山都是蓝色的。

影响气温的因素

　　通常我们所说的气温是指与人类关系最密切的近地面空气的温度。气象上以百叶箱内距地面1.5米高度的温度为标准。

　　气温的高低首先决定于热量的收支状况。热量的收入大于支出，气温就上升，否则就下降。热量的收入大于支出时，盈余的热量用于气温的升高，盈余的热量累积达到最大时，便出现最高温度，热量的收入小于支出时，热量亏损，需要消耗本身的热量以弥补亏损，所以温度下降。当热量亏损的累积达到最大时，消耗热量最多，便出现最低气温。

　　近地面空气层的热量来源主要是地面辐射，其次是太阳辐射。热量的支出靠大气辐射进行。而地面辐射的能量来源又靠太阳辐射，由于地面不断地储存着太阳辐射的热量，所以地面辐射的最高值落后于太阳辐射的最高值；然后再通过辐射、对流、传导等作用，气温才达到最高值。当地辐射出现最高值之后，太阳辐射继续减弱，地面辐射支出的热量大于太阳辐射收入的热量，地面储存的热量开始减少，地面辐射也随之减弱，气温下降，当日落以后或入冬以后，太阳辐射为零或出现最低值，相继地面辐射也出现最低值，此时大气热量入不敷出，所以气温降低直达最低值。这样就形成了以日或年为周期的有规律的变化。归根结底， 温度的变化取决于热量的收支状况及热量储存的增多或减少。

　　除此之外，气温还受海陆分布、地形起伏、大气环流和洋流等因素的影响。

大气逆辐射和地面有效辐射

1.大气逆辐射和大气保温效应

　　大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射。大气逆辐射使地面因能辐射而损耗的能量得到一定的补偿，由此可以看出，大气对地面有一种保暖作用，这种作用称为大气的温室效应。据计算，如果没有大气，近地面的平均温度为—23℃，但实际上近地面的均温是15℃，也就是说大气的存在使近地面的温度提高了38℃。

2.地面有效辐射

　　地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，称为地面有效辐射。

　　通常情况下，地面温度高于大气逆辐射之差，称为地面有效辐射。

　　通常情况下，地面温度高于大气温度，地面有效辐射为正值。这意味着通过长波辐射的放射和吸收，地表面经常失去热量。只有近地层有很强的逆温及空气湿度很大的情况下，有效辐射才可能为负值，这时地面才能通过长波辐射的交换而获得热量。

　　影响有效辐射的主要因子有：地面温度、空气温度、空气湿度和云况。一般情况下，在湿热的天气条件下，有效辐射比干冷时小，有云覆盖时比晴朗天空条件下有效辐射小；空气混浊度大时比空气干洁时有效辐射小；在夜间风大时有效辐射小；海拔高度高的地方有效辐射大，当近地层气温随高度显著降低时，有效辐射大；有逆温时有效辐射小，甚至可出现负值。此外，有效辐射还与地表面的性质有关，平滑地表面的有效辐射比粗糙地表面有效辐射小；有植物覆盖的有效辐射比裸地的有效辐射小。

　　有效辐射具有明显的日变化和年变化。其日变化具有与温度日变化相似的特征。在白天，由于低层大气中垂直温度梯度增大，所以有效辐射值也增大，中午12~14时达最大；而在夜间由于地面辐射冷却的缘故，有效辐射值也逐渐减小，在清晨达到最小。当天空有云时，可以破坏有效辐射的日变化规律。有效辐射的年变化也与气温的年变化相似，夏季最大，冬季最小。但由于水汽和云的影响使有效辐射的最大值不一定出现在盛夏。我国秦岭、淮河以南地区有效辐射秋季最大，春季最小；华北、东北等地区有效辐射则春季最大，夏季最小，这是由于水汽和云况的影响。

到达地面的太阳辐射

　　到达地面的太阳辐射有两部分：一是太阳以平行光线的形式直接投射到地面上，称为太阳直接辐射；一是经过散射后自天空投射到地面的，称为散射辐射，两者之和称为总辐射。

1.直接辐射

　　太阳直接辐射的强弱和许多因子有关，其中最主要的有两个，即太阳高度角和大气透明度。太阳高度角不同时，地表面单位面积上所获得的太阳辐射也就不同。这有两方面的原因：

(1)太阳高度角愈小，等量的太阳辐射散布的面积就愈大，因而地表单位面积所获得的太阳辐射就愈小。

(2)太阳高度角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈厚，太阳辐射被减弱也越多，到达地面的直接辐射也就较少。

　　在地面为标准气压(1013hPa)时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量，称为一个大气质量。在相同的大气质量下，到达地面的太阳辐射也不完全一样，因为还受大气透明度的影响。大气透明度的特征用透明系数(p)表示，它是指透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。大气透明系数决定于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少，这些物质愈多，大气透明程度愈差，透明系数愈小。

2.散射辐射

　　散射辐射的强弱也与太阳高度角及大气透明度有关。太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射辐射也就相应地增强；相反，太阳高度角减小时，散射辐射也弱。大气透明度不好时，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强；反之，减弱。

3.总辐射

　　总辐射随纬度的分布一般是，纬度愈低，总辐射愈大。反之，就愈小。

大气对太阳辐射的削弱作用

　　太阳辐射在通过大气层时，由于大气的吸收、反射和散射作用，而使到达地面的太阳辐射受到很大削弱。现分述于下：

1.大气对太阳辐射的吸收作用。太阳辐射通过大气时，大气中的水汽、氧、臭氧、二氧化碳和固体杂质，对太阳辐射有明显的吸收作用，而其他成分对太阳辐射的吸收很少。不同成分对太阳辐射吸收的波长范围也不同，所以通常称为选择性吸收。

　　水汽吸收太阳辐射的红外线部分能力最强，它的吸收波长范围主要在0.93~2.85微米之间。

　　大气中氧对太阳辐射的吸收能力不强，主要吸收波长小于0.2微米的紫外线辐射。大气中臭氧对太阳辐射的吸收能力很强。由于臭氧的吸收作用，小于0.29微米的紫外线辐射不能到达地面，对0.6微米附近的太阳辐射中最强的部分也有一定的吸收能力，对平流层的增温起着重要作用。

　　二氧化碳对太阳辐射的吸收能力比较弱，仅对红外线4.3微米附近的辐射有一定的吸收能力，而且这部分的太阳辐射很微弱，所以二氧化碳的吸收作用对太阳辐射的影响较小。

　　悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质也能吸收一部分太阳辐射，它的影响大小主要取决于水滴、尘埃等杂质在大气中的含量。

　　通过大气的吸收作用，太阳辐射被削弱的部分，主要是波长较长的红外线和波长较短的紫外线，而对可见光影响不大。

2.大气对太阳辐射的反射作用。大气中的云层和较大颗粒的尘埃，能将一部分太阳辐射反射到宇宙空间去，使到达地面的太阳辐射受到削弱。

　　大气中的杂质颗粒越大，反射能力越强；颗粒越小，反射能力越差。

　　反射没有选择性，所以反射光呈白色。

3.大气对太阳辐射的散射作用。当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时，发生散射作用，散射的辐射能称为散射辐射。

　　散射作用可分为两种情况，一种情况是发生散射作用的质点是空气分子或微小的尘埃，它们的散射能力与波长的四次方成反比关系，这是分子散射定律。另一种情况发生散射作用的质点是颗粒较大的尘埃、雾粒、小水滴等，它们的散射无选择性，各种波长同样被散射，使天空呈白色，所以在阴天时，或者大气中尘埃烟雾较多时，天空呈灰白色。

天空的颜色

　　我们平常看到的天空是蓝色的，它是怎样形成的？更高的天空又是什么颜色的？

　　当太阳光波射入大气圈后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒子，就会发生散射，这样每个大气分子就成了一个个散光的光源，它们向四面八方发射散射光。在太阳的辐射中，那些能量最高的辐射，如紫、蓝、青等颜色的光，最容易被大气分子和微粒散射出来。能量较低的，如红、橙、黄等颜色的光透射能力强，它们能透过大气分子直接射向地面。对下层空气分子散射来讲，主要是蓝色光线被散射出来，所以天空是呈现蓝色的。

　　那么对流层以上的天空是什么颜色的呢？由于高空空气稀薄，空气的分子数很少，分子散射放出的光线变弱，天空的亮度变暗。在离地面约8千米，天空为青色；在离地面约11千米，天空变为暗青色；在离地面约13千米，天空变为暗紫色，这是因为只有那些最易被散射的紫色光波，才能被高层稀疏的空气分子散射出来；到20千米以上，分子更稀少了，可见光散射很少，天空就变成黑灰色了。

地面辐射和大气辐射

　　地球表面和大气层都吸收一定的太阳辐射，同时地面和大气也向外辐射能量，分别叫地面辐射和大气辐射。
　　地球表面的平均温度是15℃，对流层大气的平均温度是－20℃。按辐射原理，温度愈高，其最强辐射的波长愈短，温度愈低，其最强辐射的波长愈长。因此，地面辐射和对流层大气辐射的主要部分，比太阳辐射的波长要长，其范围主要集中在3~120微米之间。因此，通常把太阳辐射称为短波辐射，地面辐射和大气辐射都称为长波辐射。
　　大气中的水汽、二氧化碳都能强烈吸收长波辐射，特别是水汽对长波辐射的吸收最显著，从4.5－80微米的波长范围都能吸收。约有75%－95%的地面辐射，差不多在近地面40~50米厚的气层里全部被吸收掉，然后它再以辐射、对流的方式间高层大气传送热量。所以说，对流层大气的热源主要是地面辐射。
　　大气辐射中的一小部分是向上的，散失于宇宙空间；其余大部分是向下的，归还给地面。由于大气对地面辐射绝大部分都吸收了，同时又有大部分热量归还给地球表面，所以大气对地面起着保温作用。
　　通过计算，如果没有大气，地球表面的平均温度应为－23℃，实际上是15℃。也就是说，由于大气的保温作用，使地球表面温度升高了38℃。