讨论现代大气的组成时，人们经常将所有成分按其浓度分为三类。

（1）主要成分，其浓度在1%以上，它们是氮气、氧气和氩。

（2）微量成分，其浓度在1×10^-6～1%之间，包括二氧化碳、甲烷、氦、氖、氪等干空气成分以及水汽。

（3）痕量成分，其浓度在1×10^-6以下，主要有氢、臭氧、氙、氧化亚氮、二氧化氮、氨气、二氧化硫、一氧化碳等。此外，还有一些人为产生的污染气体，它们的浓度多为1×10^-12量级。

气象上通常称不含水汽和颗粒物的大气为干洁大气，简称干空气。其主要组成见图1.5。其中氮、氧和惰性气体等，因其成分大致保持固定比例，称为定常成分；另一类气体成分，包括水汽、二氧化碳、臭氧和一些碳、硫、氮的化合物等，在大气中的比例随时间、地点而改变，也称为可变成分。在90km以上的高层大气中，主要成分仍为氮和氧，其他气体含量减少。

氮气在空气中含量最多，约占空气总体积的78%。大气中还存在大量的含氮化合物，如氧化亚氮、二氧化氮、氨、亚硝酸、硝酸以及少量三氧化二氮、四氧化三氮、三氧化氮和五氧化二氮等。氮还能以硝酸根、亚硝酸根和铵根离子的形式存在于颗粒物和降水中。

生命最重要的组成成分是蛋白质，而氮又是蛋白质的主要成分。所以氮是生命的基础，没有它就没有生命。对植物而言，氮可以通过豆科植物的根瘤菌固定到土壤中（称为固氮），成为植物体内不可缺少的养料。大气中的氮还对氧起着冲淡作用，使氧不会太浓、氧化作用不过于激烈。

大气中氮的来源很多。腐烂的植物和动物都会排放出氮。地球也通过不同途径发出氮，火山爆发时就把大量的氮排入空气。闪电过程能导致形成氮化合物，燃料的燃烧可产生氧化亚氮和二氧化氮。

氧气约占空气体积的21%。氧气是一切生命所不可缺少的，他（它）们都要进行呼吸或在氧化作用中得到热能以维持生命，氧还在有机物的燃烧、腐化及分解过程中起着重要作用。另一方面植物又通过光合作用吸收二氧化碳并向大气放出氧气。绿色植物和海藻的光合作用所产生的几乎全部氧气都在大气中循环，并在相对较短的时空内在呼吸作用中耗尽，从而调节大气中氧含量的动态平衡。当前的氧气浓度水平对于当前生物圈的意义，就像高压电对于20世纪的生活方式一样——万物在达不到这一水平的情况下能够生存，但是各种潜在的可能性大大降低。现在的氧气水平是处于风险和收益完美平衡的点上，正如宋玉描写的东家之子的美“增之一分则太长，减之一分则太短”。

氮气和氧气是大气的主要成分，但是它们对天气现象影响很少，这两种成分通过生物过程达到收支平衡。二氧化碳、臭氧、甲烷、氮氧化物和硫化物等大气成分的含量虽然很少，但它们的含量、分布及其变化对气候和人类生活产生较大的影响。

二氧化碳大约占了大气容积的0.04%，属于大气中的微量成分，但它在地球大气的能量平衡中起重要作用。二氧化碳对太阳辐射的吸收很少，但能强烈地吸收地面的长波（红外）辐射，同时又向地面和周围大气放射长波辐射，从而使地面和空气不至于因放射长波辐射而失热过多。也就是说，二氧化碳起着使地面和空气增温的效应（温室效应或花房效应），因此称它为温室气体。理论计算结果表明，若地球大气中不包含二氧化碳和水汽等气体，地球表面的平衡温度为-18℃，而实际上由于大气中温室气体的保温作用，地球表面的平均温度为15℃左右，称为自然温室效应（图1.6）。

二氧化碳主要在有机物燃烧、腐烂和生物呼吸过程中产生。火山爆发及从碳酸盐矿物、浅地层里释放二氧化碳是次要原因。植物的光合作用和海洋的溶解是二氧化碳的汇。因此，人口稠密的工业区二氧化碳的含量大大超过农村地区。对同一地区而言，则冬季多、夏季少，夜间多、白天少，阴天多、晴天少。最近一个多世纪里，由于化石燃料（如煤炭、石油、天然气等）燃烧量的不断加大，二氧化碳含量不断地升高。增加的二氧化碳大约一半被海洋吸收或被植被利用，一半则滞留在大气中。已有研究表明，二氧化碳含量增加会导致低层大气温度升高，从而引起全球气候的巨大变化。

臭氧的分子由三个氧原子组成，不同于人类呼吸所需的两个氧原子组成的氧气。大气中臭氧含量极少，并且随高度的分布是不均匀的。在10km以下其体积含量只有10^-8，10km以上开始增加，在25km处最大，达10^-5量级，再往上又逐渐减少，至50km则含量极小。因此，通常称10～50km这一层为臭氧层。气象上，经常会用气柱臭氧总量来表达臭氧含量。假定垂直气柱中的臭氧全部集中起来成为一个纯臭氧层，用这一纯臭氧层在0℃和1个标准大气压（1 013.25hPa）条件下的厚度来度量气柱臭氧总含量，厚度为0.01mm时，定义为一个Dobson单位（简写为DU）。根据卫星资料反演的结果，臭氧在大气垂直气柱中的总含量相当于在标准气压和温度下，单位面积上约3mm的气体层，即300DU左右（潘亮和牛声杰，2008）。

臭氧对地球大气及地球生命非常重要。臭氧能大量吸收太阳紫外线，而使臭氧层变暖，影响大气温度的垂直分布，从而对大气环流和气候产生重要影响。另一方面，由于太阳的紫外辐射在高空被臭氧挡住，地面上的生物就能免受紫外线的伤害。臭氧几乎全部吸收了200～280nm波段的紫外辐射（UV-c），也吸收了约90%的280～320nm波段的紫外辐射（UV-b），这两个波段的辐射可杀死或严重损害地球上的生灵。如果臭氧减少1%，将会使到达地面的紫外辐射增强1%，使皮肤癌病人增加2%～4%，白内障患者增加0.3%～0.6%（陆龙骅，2012）。

臭氧层的形成与大气中的氧对太阳辐射的吸收有关。氧分子吸收太阳的短波辐射（紫外辐射）后被分解为两个氧原子，氧原子再与一个未分解的中性氧原子结合而成为一个臭氧分子。大气中各层的臭氧浓度随时间而变化，这与地理纬度、季节以及天气形势有关。南极地区春季的变化幅度最大，这时臭氧含量急剧减少，形成“臭氧洞”现象。此外，火山活动与太阳活动对臭氧含量也有影响。自20世纪70年代以来臭氧问题受到了人们的强烈关注，人们逐渐认识到臭氧含量受那些浓度只有臭氧浓度几千分之一的痕量气体的控制，而人类活动正在改变这些气体的含量。

大气中的水汽来自江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾。空气的垂直运动使得水汽向上输送，同时又可能使水汽发生凝结而转换成水滴，因此，大气中的水汽含量一般随高度的增加而明显减少。观测证明，在1.5～2km高度上，水汽含量已减少为地面的一半；至5km高度处，只有地面的1/10；再向上含量就更少了。大气中的水汽含量还与地理纬度、海岸分布、地势高低、季节以及天气条件等密切相关。在温暖潮湿的热带地区、低纬度暖洋面上，低空水汽含量最大，其体积混合比可达4%；而在干燥的沙漠地带和极地，水汽含量极少，仅为0.1%～0.002%。在同一地区，一般夏季的水汽含量多于冬季。虽然水汽在全球的分布变化很大，但对于全球来讲，大气中的水汽总量大致不变。一般认为人类活动对大气中水汽浓度的变化直接影响比较小。

水汽是大气中含量最高、温室效应最强的温室气体成分。水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，它在6μm附近有一个强的吸收带，对波长大于18μm的地面长波辐射几乎能全部吸收。在中纬度地区的晴朗日子里，水汽的温室效应贡献占60%～70%，而二氧化碳仅占25%。也就是说，在地球大气中水汽才是形成天然温室效应的最主要物质。

图1.8　水汽相变过程中的放热和吸热（单位:kJ/kg）（Lutgens等，2004）

大气中的水汽在天气变化中起着重要作用。水汽是云和降水的源泉。水汽是唯一能在常态中以三种相态（固态、液态和气态）存在的物质。随着大气的垂直运动，空气中的水汽会发生凝结或凝华，形成水滴或冰晶，进而产生云和降水（雨、雪、冰雹等）。当水从一种相态转变为另一种相态时，会吸收或释放出一定的热量（潜热）；水汽又能强烈地吸收和放出长波辐射。因此，它直接影响地面和空气的温度，从而也影响大气的垂直运动。

大气颗粒物是悬浮在大气中的各种固体和液体微粒，统称为大气气溶胶粒子。它们在空气中停留的时间各不相等，极小的粒子可以滞留在空气中相当长时间，而那些比较重的颗粒能很快降落到地面。气溶胶粒子的来源很广，有自然的，也有人为的。自然源包括海浪破裂产生的海盐细粒、花粉及被风吹起的尘埃、有机物质和火山喷射的灰尘等。这些颗粒在它们的发源地（地球表面）尤其密集，随着上升气流它们也被带到大气高层。一些流星体在穿过大气层时也会释放一些固体质粒到高层大气中。人为源主要是工业排放、交通运输、建筑粉尘和生物质燃烧等。随着人口增加和工业、交通运输业的发展，大气中的烟粒、煤粒尘大量增加。

气溶胶粒子对云雾、降水、辐射传输、大气能见度、大气光学以及大气污染等有很大影响。它们可以作为大气中水汽凝结或冻结的核心，是形成云、雾和降水的重要条件。它们能吸收和散射太阳、大气和地面的辐射，改变地球的辐射平衡。它们使大气能见度降低和使空气质量变坏。它们能造成我们熟知的诸多大气光学现象，如日出、日落时太阳呈瑰丽的橘色与红色。当大气中存在大量较大的气溶胶粒子时，天空变成乳白色。

1.2.3 现代大气的成分

1.2.3　现代大气的成分