地球大氣層

地球大氣層（通常只簡稱為大氣層、大氣圈或大氣）是因地球引力束縛而聚攏在地球的行星表面（陸地及海洋）外側的一層氣體混合物，其中還懸浮有不定量的液態氣溶膠和固態顆粒物形成雲、霧和霾等天氣現象。地球大氣層從裡向外可以分對流層、平流層（同溫層）、中間層、增溫層（電離層的主體）和散逸層五個區域，沒有確切的上界，在離地表2000-的高空仍有稀薄的氣體和基本粒子。在洞穴、土壤和某些岩層中也會存有少量氣體，也可視同大氣圈的組成部分。

地球大氣層的氣態部分統稱空氣，現今主要成分為氮（摩爾濃度約78.1%）、氧（20.8%）、氬（0.934%）、水蒸氣（0~3%，濕度會因局部溫度和氣壓波動而變化）、二氧化碳（0.04%）和比例不到0.03%的微量氣體（如氦、甲烷、氪等）。地球大氣圈氣體的總質量約為5.15e18kg，相當於地球總質量的0.86ppm，由於重力作用幾乎全部都集中在離地面100km的增溫層下，其中99%在低於25-以內。地球大氣相比於其它天體大氣層的高密度使其壓強也相當驚人，海平面每平方米所受的空氣壓力高達11t，而每立方米空氣的質量則可達1.29kg之多。

作為地球表面最外側的部分，大氣層可以降低太陽輻射對地表的直接照射強度，尤其是臭氧層可以屏蔽很大一部分高頻紫外線（全部的UV-C和大部分UV-B）的電離輻射，其中的溫室氣體也可以蓄熱減少晝夜極端溫差的出現。同時大氣層還可以物理彈開或燃燒掉一些進入的較小天體，降低災難性撞擊事件的機率。大氣層的化學成分和為地表提供的輻射、溫度與物理緩衝功能是地球上生物存活和生態系統得以延續不可或缺的基礎，因此大氣層的狀態是行星適居性的一個關鍵指標。大氣層的狀態變化所導致的氣候變化也是生物圈每次集群滅絕、輻射和演替的主要原因，是地球上生物演化的一個主要推手。

## 大氣的組成

地球早期的大氣層與現今的大氣層完全不相同，富含火山噴發氣體，例如二氧化碳。部分地球大氣可能源於太陽系之外。現在的大氣層只含有極少量的二氧化碳，而富含氧氣。其改變原因是早期的生命形式——微生物體吸入二氧化碳而排出氧氣。這些微生物聚集在一起合稱為藍綠藻，依靠光合作用製造能量，它們與早期那些製造氧氣的有機體極為類似。

### 原始大氣

地球初期的大氣層主要是一些在地球形成過程中被吸積的太陽星雲氣體，其成分主要是氫氣（H2）、氦氣（He）和一些簡單的氫化物，比如水（H2O）、甲烷（CH4）和氨（NH3），與現今的氣態巨行星（木星和土星）相似，但氫氣和氦氣因其分子量太輕無法被地球重力束縛通常會隨時逃逸到外太空。

1953年，哈羅德·尤里和史丹利·米勒完成生命起源的經典實驗米勒-尤里實驗，發現將甲烷、氨、氫和水的混合經過放電後，會變成許多的有機化合物，包括生命必需的成份——胺基酸。

### 早期大氣

在冥古宙晚期，因為地表冷卻固化後形成岩層地殼阻隔了大量地熱能，加上當時太陽輻射較弱（據估計只有現在強度的70%），大氣層也隨即冷卻，氣溫降低使得空氣中的水蒸氣大多凝結落下變成液態的地表水（在當時是一個超級海洋）。進入太古宙後，火山釋氣和後期重轟炸期大量小行星撞擊地表為大氣層中新注入了大量的水、氮氣（N2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）、二氧化硫（SO2）和各種惰性氣體（主要是氖、氬和氪），而二氧化硫比二氧化碳更容易溶解在水中變成溶液，因此大氣中主要剩下的是氮氣、二氧化碳、甲烷和氨氣以及少量由甲烷與氨氣發生反應產生的氰化氫（HCN）。因為這時地表、海洋和大氣中都存在大量可以迅速被氧化的還原劑物質，大氣層和海洋中都幾乎沒有任何游離態的氧氣（因為隨時會被還原移除），所以也被稱作「還原性大氣」（reducing atmosphere）或「有生物前的大氣」（prebiotic atmosphere）。

### 現今大氣

<image>

在約37億年前的古太古代，已知最古老的生命在深海熱泉附近出現，在當時主要利用化合作用獲取能量。之後出現了可以通過紫膜質（視黃醛衍生物）或菌綠素（卟啉衍生物）進行不產氧光合作用的古菌和細菌(紫細菌），使得這些早期微生物的菌毯得以擴展到遠離深海的淺海和潮間帶。在約35億年前，能夠利用葉綠素光解水分子進行固碳產氧光合作用的藍綠菌出現，並在之後近十億年間不斷通過水分解釋放雙氧這個活性極強的副產物，最終耗盡了地表所有的還原劑（包括亞鐵、硫、硫化氫和甲烷等）後使得游離態的氧氣首次長期出現在海洋和空氣中。氧氣的出現一方面不利於當時以厭氧菌為主的生物圈，另一方面因為大氣甲烷被大量氧化成二氧化碳使得溫室效應銳減（甲烷的全球變暖潛勢約為84，即作為溫室氣體比二氧化碳強84倍），加上當時太陽輻射較弱和地熱活動可能恰好處於低谷期，使得全球氣溫驟降進入了一個長達三億年的全球性大冰期——休倫大冰期。這極端的氣候變化也很可能造成了生命史上最嚴重的一次集群滅絕（雖然是原核微生物），但也因為環境選擇壓力的改變導致了好氧菌和真核生物的演化。在休倫冰期終於消退後，地球在元古宙中期進入了一個演化速度較慢的「無聊十億年」，這期間大氣和海洋中雖有游離氧氣但濃度很低（只有現今水平的1～2%），反而有毒的硫化物很多，而生物圈初級生產的生態位主要由紫細菌占據。

在「無聊十億年」結束後，演化出固氮能力的藍綠菌和更能適應多變環境的真核光養生物（藻類，特別是綠藻、紅藻和灰藻等直接內共生葉綠體的原始質體生物）重新出現繁盛並大量固碳產生新的氧氣，這大規模的光合固碳活動大大降低了二氧化碳的溫室效應，結合地質活動一起在新元古代再次引發了一個歷時一億年的全球性大冰期——成冰紀的雪球地球事件（可細分為斯圖爾特冰期和馬林諾冰期兩次大冰期）。而新元古代這次氧化事件導致的氧氣濃度的驟增（至少達到現今水平的10%）也使其三原子同素異構體——臭氧也得以長期存在並在平流層形成了對地表有輻射保護的臭氧層。這使得生物圈在成冰紀大冰期退卻後的埃迪卡拉紀得以出現目前所知最早的複雜多細胞生物演化輻射事件——阿瓦隆大爆發，並出現了最早的宏觀動物集群——埃迪卡拉生物群。

在進入顯生宙後，由被內陸地表水體的水位波動留在河岸帶的淡水綠藻（輪藻）演化出的早期有胚植物（主要是非維管的苔蘚植物）在古生代奧陶紀開始登上陸地長期定殖，並在志留紀和泥盆紀出現維管植物的迅速輻射並在之後的石炭紀形成茂密的濕地煤炭森林。這些可以充分利用陽光直接照射的陸生植物的繁盛使得大氣層的氧氣濃度首次超過10%（現今水平的一半），甚至在石炭紀達到了遠高於現今水平的35%，也為之後陸生動物的登陸和陸地生態系統的繁盛創造了條件。

現今大氣層的主要成份為氮和氧，兩者占了空氣摩爾濃度的99%，剩下的不足1%的成份為氬、水蒸氣、二氧化碳以及各種稀薄氣體。水蒸氣和二氧化碳的組成比率會因時、地和氣候不同而有所差異，其中近年來因為人類砍伐森林和工業化對化石能源的燃燒使用導致二氧化碳變動率最大。大氣不是密度均勻，是以海平面的密度最大，往上密度逐降，大氣約50％集中在海拔5.6km內，約80％集中在海拔13km以內。

氣體｜佔有量（體積比）｜對生物的好處

氮氣（N2）｜78.084 %｜可通過閃電和微生物固氮為植物提供生產胺基酸必需的銨和硝酸鹽，以維持其生長

氧氣（O2）｜20.946 %｜真核生物呼吸作用的原料，還可氧化助燃

氬氣（Ar）｜0.934 %

二氧化碳（CO2）｜0.0398 %｜光合作用原料，產生溫室效應

氖氣（Ne）｜0.001818 %

氦氣（He）｜0.000524 % = 5.24 ppm

甲烷（CH4）｜0.000179 % = 1.79 ppm｜產生溫室效應

氪氣（Kr）｜0.000114 % = 1.14 ppm

氫氣（H2）｜0.000055 % = 0.55 ppm

一氧化二氮（N2O）｜0.0000325 % = 0.325 ppm

一氧化碳（CO）｜0.00001 % = 0.10 ppm

氙氣（Xe）｜0.000009 % = 0.09 ppm

臭氧（O3）｜0.000004 % = 0.04 ppm｜直接接觸會危害人的身體健康，但在高空臭氧層中可抵擋對生物有害的紫外線電離輻射

二氧化氮（NO2）｜0.000002 % = 0.02 ppm

碘氣（I2）｜0.000001 % = 0.01 ppm

氨氣（NH3）

水蒸氣（H2O）｜0 % ~ 4 %｜形成天氣現象並維持水循環，也可產生溫室效應

## 大氣壓力

由地心引力對地球表面的一群混和氣體所作的作用力即為大氣壓力，故以在地表最大，愈往高處壓力愈小。氣壓在海平面的平均值約1.01×105帕（或稱巴斯卡，Pascal，簡稱Pa，國際單位制中的壓力單位，1帕=1牛頓/米2），相當於76公分汞柱，也就是一般所稱的一大氣壓。

大氣壓力依高度遞減，在低空中每上升5.5公里，壓力約減二分之一。

## 大氣層垂直結構

<image>

大氣層垂直結構大致可分為對流層、平流層、中氣層、增溫層及外氣層，分述如下：

### 對流層

最接近地面的大氣層稱為對流層，包括大氣邊界層和自由大氣，平均高度約10公里。對流層高度隨緯度變化，在赤道最高約為15公里，極地最低約8公里。顧名思義，對流層是對流最旺盛的區域，也是天氣現象發生的地方。大氣中的水氣，約有80%存在於對流層，因此它也是蒸發、雲、雨等最經常出現的區域。平均而言，對流層溫度隨高度降低，每上升100公尺，溫度下降約0.6℃。

### 平流層

含有臭氧，具有吸收紫外線功能，保護地球上所有生物的生存和地表免於受陽光中強烈的紫外線致命的侵襲，又叫同溫層。因為在同溫層內部的臭氧層有吸收太陽輻射的功能，在此層的氣溫會隨高度增加。

### 中氣層

此層主要成份有臭氧、氧、二氧化碳、氮的氧化物，這些部份是由光化學作用引起之產物，故又稱：光化層。溫度隨高度上升而下降。

### 增溫層

又稱熱氣層，空氣極稀薄，而離子特別多。溫度相當高，且隨高度升高而溫度升高。

### 外氣層

外太空的起點，含元素中最輕的兩種氣體：氫（H）及氦（He）。

## 空氣污染

<image>

指大氣中某些物質超過一定的限量，或多出某些物質的現象。空氣污染的程度取決於污染源、大氣的轉移及接受物。

### 污染源

- 碳的氧化物：如一氧化碳、二氧化碳。

燃燒石化燃料所產生的物質是空氣污染最主要的來源，因為燃燒所產生的二氧化碳若是過多，會引起溫室效應。汽車引擎中，汽油燃燒不完全會排放出一氧化碳，當一氧化碳進入肺部，它比氧更容易與血紅素形成穩定的化合物，降低血液運送氧氣的功能，嚴重的話會造成窒息死亡。

- 硫的氧化物：如二氧化硫、三氧化硫。

大氣主要污染物之一。當二氧化硫和三氧化硫溶於水中，會形成亞硫酸和硫酸，這是酸雨的主要成分。由於煤和石油通常都含有硫化合物，因此燃燒時會生成二氧化硫。二氧化硫具有酸性，可與空氣中的其他物質反應，生成微小的亞硫酸鹽和硫酸鹽顆粒。當人體吸入這些洨時，它們將聚集於肺部，是呼吸系統症狀和疾病、呼吸困難，以及過早死亡的一個原因。

- 氮的氧化物：如一氧化氮、二氧化氮。
- 烴類：如苯、汽油等。
- 塵埃與顆粒物。

### 大氣的轉移

意謂大氣減輕空氣污染的天然程序；雖然大氣能夠減輕污染，但有其極限，並不是無止盡的清除。

### 接受物

指對污染接受的程度，接觸污染物的歷程很重要，有些生物體內的功能，可以排除某些污染物，然而也有的污染物會積存在身體內，導致生病或死亡。

## 外部連結

- NASA atmosphere models
- NASA's Earth Fact Sheet
- American Geophysical Union: Atmospheric Sciences
- Outreach of the GEOmon project See how Earth atmosphere is observed and monitored by a European project that combines many approaches.
- Stuff in the Air Find out what the atmosphere contains.
- Layers of the Atmosphere
- Answers to several questions of curious kids related to Air and Atmosphere
- The AMS Glossary of Meteorology
- Paul Crutzen Interview Free video of Paul Crutzen Nobel Laureate for his work on decomposition of ozone talking to Harry Kroto Nobel Laureate by the Vega Science Trust.