大氣圈與大氣汙染
大氣圈是由氣體和懸浮物組成的複雜流體係統。地球在行星係統中開始出現時，還沒有大氣圈。大氣是由地球本身產生的化學和生物化學過程經過長期演化而成。地球上的大氣是維持一切生命所必需的。低層大氣的主要成分是氮氣和氧氣，此外，還有惰性氣體及二氧化碳、甲烷等微量氣體。
大氣圈的這種組成並非古而有之，也並非一成不變，而是大氣圈長期發育演變的結果，其發育與演變又受到地球其它圈層發育演變的影響。
大氣圈的結構和組成
一、大氣圈發展史
45億年前，在地球發育的早期階段，在太陽發射的熱量、可見光、紫外線和X射線等作用下，C、H、O與N等原子結合成H3、NH4、CH2與H2O等分子，構成了原始大氣的主要成分。
經過漫長的地質時期，到了大約30億年前，原始海洋中的C元素在射線作用下與其它元素結合產生了少量的有機分子，例如原始病毒（protovirus），能從原始海洋“湯液”的有機化合物發酵中獲取必要的能量，作為副產品放出CO2。這是大氣圈發育曆史中的一個重要事件，為葉綠素的光合作用合成糖創造了條件。
20億年以前含葉綠素的生物出現是大氣圈發育曆史上的另一個劃時代的事件，光合作用產生了O2，這種極其活潑的元素對大氣圈進行了一次“氧革命”：它與CH4作用生成CO2和H2O，與NH3作用生成N2和H2O，在高空中O2分子相互作用生成O3。O3的出現逐漸減弱了紫外線輻射的強度，為更高等的海洋植物出現提供了條件。
大氣圈中O2含量的這種變化可以從岩石學中找到證據：世界上許多地方都發現疊層石（stromatolites），這種20—30億年前形成的岩石外表上象一本本揉皺了的書，是古海洋中的河流衝積物在細菌作用下形成的。這個過程現代還在進行，不同之處是現代疊層石是在藍綠藻作用下形成的，已經氧化；而30億年前的疊層石卻未受氧化，這說明當時大氣中O2很少。
另一個岩石學證據是：現已發現許多有經濟價值的富鐵岩石是20億年前形成的。據認為20億年前以還原狀態溶解於古海洋中的鐵與光合作用產生的O2結合（氧化）而沉積下來形成岩石。海洋中大部分鐵質被氧化、沉積後，生物所產生的O2開始在大氣中積累。因此，大氣中遊離O2的濃度在大約20億年前開始明顯增加。根據這種理論，地殼中重要的鐵礦與大氣中的遊離O2均係生物作用的結果。
值得指出的是，這場“氧革命”的主角竟然是毫不引人注目的低等植物——藍綠藻。
古海洋中藍綠藻長期以來是釋放O2的主要生物。它與其它生物一樣，在光合作用時攝入CO2，放出O2，但藻類本身的呼吸作用又吸入O2，把CO2放回大氣中。藻類死亡後沉入海底被覆蓋後進行不完全的分解，造成O2的攝入與釋出之間微小的不平衡，使O2有所積累。O2長期積累的結果最終改變了大氣圈以及地球的麵貌。如果沒有生命的活動，則今天大氣圈的組成將完全是另一種情況。
生物圈是在大氣圈與水圈、岩石圈的共同作用下產生的，但生物的出現以及生物圈的形成又深刻地改變了大氣圈的組成和其它圈層的麵貌，這也是自然界中互為因果的極好例證。
二、大氣圈的結構
大氣圈就是指包圍著整個地球的空氣層。大氣圈的邊界很難確定，但從流星和北極光的最高發光點推算，在離地球表麵800km的高空還有少量空氣存在。所以，一般來說，大氣圈的厚度為1000公裏。
大氣圈的總質量估計為5.2×1015噸，相當於地球質量（5.974×1021噸）的百萬分之一。大氣質量在垂直方向的分布是極不均勻的。由於受地心引力的作用，大氣的質量主要集中在下部，其中的50％集中在離地麵5km以下；75％集中在10km以下，90％集中在30km以下。
按照分子組成，大氣可分為兩個大的層次：均質層和非均質層（或同質層和異質層）。
均質層為從地表至90km左右高度的大氣層，其密度隨著高度的增加而減小。除水汽有較大變動外，它們的組成是穩定均一的。這是由於大氣低層的風和湍流連續運動的結果。
均質層上麵是非均質層，根據其成分又可分為四個層次：氮層（距地麵90—200km）、原子氧層（200—1100km）、氦層（1100—3200km）、氫層（3200—9600km）。在這四個層次之間，都存在過渡帶，沒有明顯的分界麵。
按大氣的化學和物理性質，大氣圈也可分為光化層和離子層，兩層大致以平流層頂為分界線。
大氣圈垂直方向有各種各樣的分層方法。目前世界各國普遍采用的分層方法是1962年世界氣象組織（WMO）執行委員會正式通過國際大地測量和地球物理聯合會（IUGG）所建議的分層係統，即根據大氣溫度隨高度垂直變化的特征，將大氣分為對流層、平流層、中間層、熱成層和逸散層。
1.對流層大氣圈的最低一層，其平均厚度約為12km。對流層是大氣中最活躍的一層，存在著強烈的垂直對流作用，同時也存在著較大的水平運動。對流層裏水汽、塵埃較多，雨、雪、雲、霧、雹、霜、雷、電等主要的天氣現象與過程都發生在這一層裏。此層大氣對人類的影響最大，通常所指的大氣汙染就是對此層而言。尤其是在靠地麵1—2km的範圍內，受到地形、生物等影響，局部空氣更是複雜多變。對流層內大氣溫度隨高度的增加而下降，其平均溫度遞減率約為—6.5℃/km。
對流層頂的實際高度隨緯度位置和季節而變化。平均而言，對流層的高度從赤道向兩極減小，在低緯度地區對流層高約18km，中緯度地區為11km，高緯度地區為8km。
對流層相對於整個大氣圈的總厚度來說是相當薄的，而它的質量卻占整個大氣總質量的3/4以上。
2.平流層從對流層頂以上到大約50km左右的高度叫平流層，也叫同溫層。平流層的下部有一很明顯的穩定層，溫度不隨高度變化或變化很小，近似等溫。然後隨高度增加而溫度上升。這主要是由於地表輻射影響的減少和氧及臭氧對太陽輻射吸收加熱，使大氣溫度隨高度增加而上升。這種溫度結構抑製了大氣垂直運動的發展，大氣隻有水平方向的運動。
在平流層中水汽和塵埃含量很少，沒有對流層中那種雲、雨等天氣現象。
在平流層之上，距地麵大約50km的地方溫度達到了最高值，這就是平流層頂。
3.中間層平流層頂以上到大約80km的一層大氣叫作中間層。在這一層中溫度隨高度增加而下降。在中間層頂，氣溫達到極低值，是大氣中最冷的一層。
在中間層內，大氣又可發生垂直對流運動。該層水汽濃度很低，但由於對流運動的發展，在某些特定條件下仍能出現夜光雲。在大約60km的高度上，大氣分子在白天開始電離。因此，在60—80km之間是均質層轉向非均質層的過渡層。
4.熱成層在中間層頂之上的大氣層稱為熱成層，也稱作增溫層或電離層。在熱成層中大氣溫度隨高度增加而急劇上升。到大約1000km，白天氣溫可達1250—1750K。在熱成層中由於太陽和其它星球輻射各種射線的作用，該層中大部分空氣分子大都發生電離，成為原子、離子和自由電子，所以這一層也叫電離層。
在熱成層中由於太陽輻射強度的變化，而使各種成分離解過程表現出不同的特征。因此大氣的化學組成也隨高度增加而有很大的變化。這就是非均質層的由來。
5.逸散層在熱成層之上的大氣層稱為逸散層。也稱外大氣層。是大氣圈的最外層，大約在800km以上。在外層，大氣極為稀薄，地心引力微弱，大氣質點之間很難相互碰撞。有些運動速度較快的大氣質點有可能完全擺脫地球引力而進入宇宙空間去。
三、大氣的組成
地球大氣的主要成分是氮和氧，這種大氣的化學組成在太陽係的九大行星中非常特殊。離地球最近的兩顆行星——金星和火星的大氣化學組成就與地球大氣完全不同，其主要成分是二氧化碳，氧含量極少，幾乎不存在。
地球大氣的成分除主要氣體氮和氧外，還有氬和二氧化碳，上述四種氣體占大氣圈總體積的99.99％。此外還有氖，氦、氪、氙、氫、甲烷、一氧化二氮、一氧化碳、臭氧、水汽、二氧化硫、硫化氫、氨、氣溶膠等微量氣體（表5.1）。
在組成地球大氣的多種氣體中，包括穩定組分和可變的不穩定組分。氮、氧、氬、氖、氦、氪、甲烷、氫、氙等是大氣中的穩定組分，這一組分的比例，從地球表麵至90公裏的高度範圍內都是穩定的。
二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、臭氧、水汽等是地球大氣中的不穩定組分。
另外，地球大氣中還含有一些固體和液體的雜質。主要來源於自然界的火山爆發、地震、岩石風化、森林火災等和人類活動產生的煤煙、塵、硫氧化物和氮氧化物等，這也是地球大氣中的不穩定組分。
地球大氣圈的形成與演化，經曆了漫長的地質時期。現在大氣圈的麵貌是地球各圈層（主要是生物圈）塑造的。
表5.1大氣的組成
生物圈各組分與大氣之間保持著十分密切的物質與能量的交換，它們從大氣中攝取某些必需的成分，經過光合作用、呼吸作用和其殘體的好氣或厭氣分解作用，又把一些氣體釋放到大氣中去，使大氣的組分保持著精巧的平衡。
如果大氣組分的這種平衡一旦遭到破壞，就會對許多生物甚至會對整個生物圈造成災難性的生態後果。
就以大氣組分中的二氧化碳而論，盡管它在大氣圈中隻占0.03％，但對地球上的生物卻很重要。據估算，生物圈每年由大氣吸收的二氧化碳約為480×109噸，而向大氣排放的二氧化碳也差不多是這一數值。19世紀工業革命以前，大氣中二氧化碳的濃度一直保持在0.028％。工業革命後，隨著人口增加和工業發展，人類活動已經開始打破了二氧化碳的自然平衡。植被（尤其是森林）的破壞和大量化石燃料及生物體的燃燒使生物圈向大氣排放的二氧化碳量超過了它從大氣中吸收的二氧化碳量，使大氣二氧化碳濃度逐年上升，目前已經達到0.035％左右。由於二氧化碳具有吸收長波輻射的特性，而使地球表麵溫度升高，並因此導致一係列連鎖反應，其中對人類影響較大的是溫度上升會使極地冰帽融化，海平麵上升，世界上許多地區將被淹沒在海水之下。
相反，如果二氧化碳含量減少，則會引起氣溫下降，這種溫度下降的幅度即使很小，也會帶來很大的影響。因為溫度下降會使作物生長期縮短，而導致產量減少。
對於含量極少的甲烷也是如此，其濃度目前為1.4ppm，隻要略有增高，在現有氧的濃度下就會因閃電而燃燒。而更重要的是，甲烷的“溫室效應”比二氧化碳效果強300多倍。對全球變暖起著重要作用。
對於生命活動至關重要的氧更是如此。大氣中氧濃度的降低或增高都會影響許多重要的生命過程和產生一些意想不到的惡果。氧濃度的大小決定了生物的演化過程。30億年前，地球大氣中氧的濃度隻有現在濃度的千分之一，生命隻可能出現在水下10米深處。大約距今6億年時，地球大氣中氧的濃度達到了現在濃度的百分之一，生物開始出現在水麵上，這是生物發展史上的第一個關鍵濃度。到了大約4億年以前，大氣中氧的濃度達到了現在濃度的十分之一，生物從海洋登上了陸地，這是生物發展史上的第二個關鍵濃度。此後，地球大氣中氧的濃度盡管也出現過小幅度的波動（比現在濃度高），但一直保持在一定的水平上，即複氧與耗氧之間達到了某種平衡。