地球的“帷幕”——大气层 [复制链接]

第7版()
专栏：

地球的“帷幕”——大气层
苏理
如果没有大气层
我们的地球沉浸在空气的海洋里。这层把地球包裹起来的空气就叫做大气。
地球大气究竟是什么组成的呢？曾经有过各种各样的说法。希腊哲学家认为，空气是宇宙中的基本元素之一，是一种不可分解的物质。但是，到了十八世纪，科学家精确地分析了大气的组成成分，证明它既不是元素，也不是化合物，而是由各种气体、水蒸汽和尘埃混合组成的。地球大气的主要成分是：78％氮、21％氧，此外还含有极少量的氦、氢、氩、氪、氖和氙等气体。在地面附近，还含有少量的二氧化碳、水蒸气和一些灰尘杂质。大气层总共大约有一千多公里厚，可是它的质量大部分在下层，也就是在地面附近。因此，空气越在下层越重。在海平面上，一立方公尺的空气便有一点三公斤重。我们身上就有很重的空气压着，每平方公分的面积就有一公斤压力。不过，我们的身体组织机构，已经习惯这种压力了；再说，上上下下，左右前后，里里外外，全都有空气压着，压力相等，方向相反，所以人们根本不感到空气的压力。相反，人们一离开空气这种压力，倒反而不能生活下去了。比如，我们爬山或坐飞机，由于越往上去，空气越稀薄，气压越低，越感到不好受；低到一定限度，人就无法生存，就是这个道理。
地球大气对人类生存的意义是极其重大的。大家都知道，人和动物，哪怕植物都要呼吸，也就需要空气。大气层中的空气分子，能把强烈的太阳光折射、散射，使我们的天空呈现着清朗的蔚蓝色。它还像温室的玻璃一样，能放过柔和的太阳光使地面温暖，而又不让热跑到外面去。还有像风、云、雨和雪等天气现象，也都必须在大气中才能发生。如果地球周围没有大气层，那么它就会成这个样子：在万里无云的黑黝黝的天空中，挂着一个亮得刺眼的太阳，没有一丝风，没有一滴雨，夜里是可怕的寒冷，周围是一片光秃秃的干裂土地……。
剖开大气层来看
大气层的温度是越靠近地面越热，因为烘热大气的不是直接的太阳辐射，而是从地面反射上去的热能。但是，热空气比冷空气轻，所以靠近地面的热空气常常要往上升，而上空的较冷的空气就沉下来，等到烘热了又往上升。这样的流动叫做对流。不过，大气的对流现象只在地面附近发生，一般是离地面十至十二公里这个区域，在赤道地方是十六至十七公里，在两极地方是九至十一公里。我们把大气的这一层叫做对流层。刮风下雨等天气现象都在对流层中发生，大气中水汽几乎全集中在这里，各种形状的云也仅在这里形成。再上去直到八十公里高空，对流现象就不存在。那里的空气已很稀薄，几乎没有垂直流动，只有水平流动。这一层大气叫平流层，在对流层内，每升高一公里，温度便降低5—6度，这是对流层的重要特性；在平流层内，底层温度是比较稳定的。上面还有暖层（达摄氏75度）和冷层（零下50度）。
这里要特别提一提臭氧。它在平流层中二十二至二十五公里高处含量最多。臭氧是在闪电时产生的。雷暴以后，空中里有一股臭味，这就是臭氧（一般氧是两价的——O2，臭氧是三价的——O3）。它是保护地球上一切生命的气体盔甲，因为臭氧有吸收太阳辐射中的紫外线的本领，是它扣留了大部分对动植物和人类有害的强烈的紫外线，而仅到达地面的一部分紫外线，就成了有益无害的了。
八十公里以上一直延伸到一千公里左右的一层大气，叫电离层。在电离层内，空气极其稀薄。太阳紫外线的作用，引起氧分子离解而产生原子的氧。并且，太阳短波辐射和太阳的微粒放射，引起这一层内空气强烈的电离作用。中性的分子和原子已成了带电的粒子（正离子、负离子和电子）。电离层的低层能够反射无线电波，这样人们才能利用短波无线电，把信号传到较远的地方去。此外，在电离层的范围内，温度大概又重新随高度逐增。
以上介绍的大气层的情况，都是过去人们利用气球、高空探测火箭和无线电等探测出来的。根据最近苏联人造卫星探测结果，在离地面二百六十六公里的高空中，大气密度是地球表面的百亿分之一。高度每增加一百公里，大气密度就减少为原来的密度十分之一到十二分之一。在电离层这一区域中，占主要成分的是原子状态的氧离子，还记录到了原子状态的氮离子。并且，在一千公里高空处，也还是有空气存在的（那里有显著数量的离子）。因此，大气向高空伸展得很远，比早先认为的要远得多。按照旧的概念，地球大气就要转变为星际气体了。有利也有弊
地球大气对我们有利也有弊。关于大气对人类生存的意义，上面已经谈过一些。但是，它也给天文工作带来一些困难。举例来说，我们研究遥远天体的化学组成和物理状态，是采用光谱分析，即分析它射来的光线的。但是，地球大气把天体射来的一部分光线阻挡住了，这就使我们不能接收到全部光线。空气中的分子使太阳发生折射、散射，造成了天空“背景”的亮度，即使在夜晚也形成相当亮的“背景”，这就使许多重要研究工作难以进行。地球大气的流动以及多种复杂的运动和变化，使星体所发的光不断闪动，这对天文工作十分不利。地球大气分子的不稳定和扰动，还影响到望远镜的放大倍率，这也是有碍天文观测的。为要摆脱这些限制，我们就要离开地球大气层。如果能到没有大气或者大气比较稀薄的星球上进行天文工作，那就必将得到许多宝贵的资料。
地球大气对星际航行也有密切关系。我们发射人造卫星或宇宙火箭，要离开地球首先就得穿过这层空气外衣。这样就得很好地考虑空气的阻力。在通常情况下，空气的阻力和物体的速度的平方成正比，也就是速度为原来的二倍时，阻力为原来的四倍。但是，对高速前进的火箭来说，阻力就比用这个公式算出来的还大得多。由于火箭和空气的剧烈的冲击和摩擦，火箭壳就愈来愈热，甚至到炽热状态（特别是冲击空气的头部）。据实验结果，当火箭速度为每秒六公里时，火箭头部的温度即高达5000度。因此，我们一方面得研究用耐高温材料制造火箭外壳特别是头部，另一方面火箭通过大气层的速度也不能太大。因此，火箭一般都垂直发射，尽量缩短在大气层中的距离，和通过大气层的时间。即使这样发射，火箭速度因空气阻力和地球引力的缘故，在大气层的飞行中还要损失10％到15％。
从其他星球回地球时，也要考虑大气层的阻力。因此，需要循螺旋线，一面打转一面渐渐接近地面。等到速度降到差不多了，才能进入靠近地面的稠密的大气层，然后再降落地面。如果落得太快，火箭就会像流星那样，在空中烧起来。不过，大气层对星际旅行来说，还是好处多。如果没有空气的阻力，火箭以第二宇宙速度撞击地面，全部火箭都会烧成气体，连一点残骨都找不到。为了降速，就得把火箭倒过头来向前喷气，因而要烧掉很多星际旅行中最宝贵的燃料。利用空气阻力的刹车作用，就有可能不费燃料，而平安降落。
过了大气层到了星际空间，空气没有了，也给我们宇宙航行家带来不少困难。首先，我们要呼吸，那就得储备氧气。这还好办，而没有空气压力倒是个大问题。前面说过，人是习惯在正常大气压下生活的，因为只有在一定的大气压力下，我们的血液才会溶解必要数量的氧。如果大气压力不足，哪怕呼吸纯氧，也不能解决人体对氧的需要问题。而那样，原来已溶解在血液中的气体（包括氧、氮和二氧化碳等），还会从血液中跑出来，厉害的话，会使机体生命活动完全破坏。此外，血液在那样小的压力下，沸点大大减低；在我们正常的体温三十七度时，血液就“烧开”了。因此，还得事先采取种种预防措施，比如在密封舱内造成必要的气压，穿上密闭飞行衣或高空飞行服等等。
别的天体又怎样
我们要去星际航行，就得关心其他的星球上有没有大气。现在我们已经知道的，月亮上几乎没有大气（它的稀薄程度只是地球大气的一百万分之一）。火星表面虽然有大气，但是比地球大气薄得多，而且大部分是氮，氧只有地球上的千分之一，而二氧化碳却比地球上多得多。金星呢，有一公里厚的大气，可是大部分是二氧化碳。水星上的大气也很少。其他如木星、土星、天王星和海王星等，基本上都是氢气，还有一些甲烷和氨。
至于为什么会形成这样的，这就涉及到行星的起源和演化等问题，谈起来比较复杂，而且科学家对于行星起源的见解还不一致。比如关于地球大气的成因，有人认为可能跟地球的发热有密切关系。根据他们的理论，地球是由固态质点并合而形成的，以后由于地球内部的放射性元素（如铀、钍和镭等）的分裂，产生了高温。地球内部热量增加，就释放出含在地球石砾物质中含量不多的气体和水蒸汽。它们冒到地球表面，水蒸汽凝结成海洋，气体变成了大气。当然，原始大气的成分和今天的不同，而今天的地球大气成分，在很大程度上又是和地球表面动植物界的存在有关系的。另外还有一些别的说法。至于到底怎样，还待今后继续研究和观察。这次苏联宇宙火箭发射成功，它将为我们取得大量珍贵的资料，为解决这些重大问题铺平道路。