双层地球环境

    在太阳系的九大行星中，只有地球上有生命体存在。

    地球地球就像诺亚方舟一样，载着无数的生命体在宇宙中飞行，就像一艘“地球号宇宙飞船”。在这艘船上，生命体的活动空间又分为海洋与大气两层。

    这艘“地球号宇宙飞船”与人类所制造的“宇宙飞船”最大的不同之处在于，人造宇宙飞船为了不让空气外逸，是全封闭的。而地球号宇宙飞船是没有天花板的。

    但即使这样，地球上的空气也没有逃离到宇宙中去。海洋亦然。虽然有时会波涛汹涌，但绝不会溢到地球之外。其中奥秘究竟在哪里呢？

    原来，地球非常大，其自身的重力足以吸住空气与海水，而人造宇宙飞船体积小，单靠自身的引力无法使空气留在舱内，所以才需要外力的帮助。

    “地球号宇宙飞船”上无飞行员，也是它与人造宇宙飞船的不同之处。飞船的管理，全交给了大自然。

    海洋与空气中生存的无数生命，则充分证明了地球自然环境的合理性。

    以堪察加拟石蟹为例，野生的石蟹可以存活20多年，而一旦人工饲养，无论多么精心看护，最多也只能维持一个星期。

    地球环境看似简单——空气与水两个部分，但实际上内部构造极其复杂，也极其微妙。本章将重点研究地球环境中的海洋部分。

    大气压与水压

    日本的一艘名为“深海6500”的潜水艇，可以下至6，500米的深海处进行海底探测。这是目前世界上唯一的一艘载人深海潜水艇。

    深海潜水艇若想潜至深海，潜水艇船舱的墙壁必须足够结实以抵抗海水的压力。潜水艇浮在海面上时，舱内舱外均为1个大气压，而随着潜水深度的增加，舱外压力逐渐变大，每下沉10米压力增大1个大气压。当潜至6，500米深时，船舱的墙壁所承受的压力为650个大气压。

    一个大气压相当于1平方米的面积上承担着1吨的重量。所以1平方米的海面或地面所承受的空气的重量为1吨。

    从海面下沉10米时，增加了10米深海水的重量，所以物体在10米深处承受的压力比海面高1个大气压。而6，500米深处的潜水艇，空气与海水产生的压力约为651个大气压，潜水艇舱内的压力为1个大气压，所以船舱的墙壁必须承受差额为650个大气压的压力。

    如果船舱硬度不够，就会被海水所压毁。所以深海潜水艇的船舱均由坚硬的钛合金做成。

    透过深海潜水艇的窗户，却可以看到即使在6，500米的深海处，各种鱼类还是可以游得悠然自得，而且它们与浅海的鱼类并无差异。它们之所以可以承受651个大气压的压力，是因为它们的身体本身也可以产生651个大气压的压力。

    鱼体外侧承受着651个大气压的压力，而鱼体内也为651个大气压，所以鱼的皮肤不需要支撑任何压力。潜水艇则不同，艇内只有1个大气压，与舱外压力差距较大，而这部分差额则全部作用于船舱的墙壁上。

    喷气式客机在通过平流层时，机舱内的压力为0.8个大气压，而机舱外只有0.2个大气压，机舱的墙壁受到向外的0.6个大气压的压力，相当于1平方米的面积上压有600千克的质量，所以喷气式飞机的机舱壁也必须特别制作。

    明空与暗海

    太阳在不断地向宇宙放射着光线，其中一部分，穿过广阔的宇宙空间，抵达了月亮或地球。

    树叶可以吸收红色的光线众所周知，光可以在真空中直线传播。月球上没有空气，所以光可以直线传播，直接抵达月球表面。通过光的反射，我们在地球上就可以看到月球上的景色。所以月球上接受到太阳光的地方与没有接受太阳光的地方，明暗分明。

    而抵达地球的太阳光又如何呢？接近地球的太阳光线，在距离地球表面100千米处即开始感觉到大气的存在。太阳光线中波长较短的X射线与紫外线等，在大气上层即大部分被吸收。

    深海

    波长较长的“可视性光线”，则透过空气的吸收，顺利抵达地面。但尽管如此，一部分可视性光线还是被空气分子所散射。

    散射程度因波长的不同而有所不同。蓝色的光线比红色光线散射程度大。因此，天晴时才会是一片蓝天。

    因空气无法吸收可视性光线，所以无论是散射的光线还是直接来自太阳的光线，都可以在空气中自由传播。当光线抵达地面时，一部分光线被地面吸收，而另一部分则被散射。雪可以散射所有波段的光线，所以呈现白色。

    树叶可以吸收红色的光线，所以呈现绿色。地面情况多种多样，所以可以看到各种颜色的景色。在这种环境中进化起来的生物，视觉非常发达，可以通过视觉来辨别同类、捕捉猎物及察觉危险。

    而进入海中的太阳光线又如何呢？

    放入杯中的海水虽呈透明色，但事实上水可以吸收少量的可视性光线。因此，进入海水中的光线被一点点吸收，下沉70米后99.9％的光线即被完全吸收。

    人类视觉非常好，大概在水深100米处也可感觉到光线的存在。但下沉至200米处时，即使白天也是与洞中一般，漆黑一片。在深海中，没有白天与黑夜的转换，也没有四季的交替，一年365天，全是黑暗的世界。

    但即使这样，深海中还是有很多的生命体存在。因为没有光，所以进行光合作用的植物无法在这里生存。深海是一个只有动物与细菌的奇妙的世界。不过，其中有的鱼类可以自己发光，来辨别同类，捕捉猎物。

    海洋的产物——淡水

    自然界中的水分为盐水和淡水两种。海洋中的水为盐水，陆地上的水为淡水。对生存在陆地上的人类而言，淡水是不可或缺的。

    海水

    淡水不仅存在于河流、湖泊与池塘中，地下储存量也颇为丰富。从山中岩石渗透出的水即为地下水。井水也为地下水。古人认为，海水从海底渗透到地下，再运动到陆地下方的地壳这一过程中，盐分被吸收，变成淡水，成为江河湖泊的源头。

    江河中的水在不停地流向海洋，如果海底没有与陆地相通，那海平面应该不断地升高。而事实并非如此，所以人们认为海水在不断地渗透到海洋的地下。

    海平面但是，海水与地下水并非在地下交换的，它们是在空气中进行交换的。

    海洋中的水分在不断地以水蒸气的形式蒸发到空中，而在蒸发的同时，盐与水分离。水蒸气顺风升至高空，其中一部分飘至陆地的上空，并变成云粒。云粒不断膨胀，变成雨或雪后，从空气中分离降落至地面，然后渗透至地下，变为地下水。因此，雨雪稀少的季节，岩石间涌出的清泉就会断流。另外，海平面之所以不变化，是因为蒸发掉的海水又以雨、雪或河水的形式重新返回到了海洋。

    水的这一循环与实验室中制作蒸馏水的装置相似。通过蒸馏设备，使普通的水沸腾，把水蒸气与不纯物分开，再使水蒸气凝结，形成干净的水。自然界中的海水，即是那普通的水。海平面在阳光的照射下自然加热，使得水分不断地蒸发。

    蒸发的水蒸气若想重新变为液体，必须冷却。而大自然很巧妙地完成了这一过程，空气在上升过程中自然冷却。

    蒸发的乱积云

    理由其实很简单。高空气压低，空气团在上升过程中会不断膨胀。而空气一旦膨胀，温度就会下降。这一性质被称为“断热冷却”。每上升100米温度下降1℃。

    水蒸气温度降低到一定程度就会饱和，所以在尚未达到饱和温度前水蒸气就变为液体或固体。即使在地面30℃的炎热夏日，在3，000米的高空温度只有0℃，所以水蒸气仍可转变为雪花。但在下落过程中温度升高，又融化为雨水。

    夏日午后蒸发的乱积云，受时速10米／秒的上升气流的影响，把地面的水蒸气大量带至高空，形成了一个大型的蒸馏水制造装置。

    地球上的人类都已经见惯了空中飘下雪花或降下雨水，不觉丝毫惊奇，但事实上这是地球上所特有的现象。正因为如此，地球的陆地上才得以有干净的饮用水，陆地上的动植物才得以生存。

    如果海洋消失了

    如果地球上突然没有了海洋，那地球将会变成怎样的呢？

    河流干枯

    鱼类等生活在海洋中的动物，失去了住所，等待它们的只有死亡。我们人类生活在陆地上，没有了海洋也不至于立即死去，但陆地上也会慢慢地发生变化。

    首先，雨雪量减少。不久，山中的清水与温泉也会枯竭。井水见底，河流干枯，水库没水，自来水管中也不再有水流出。没有雨水的滋润，森林中的树木枯萎，草木不生，农作物无法生长。地球会被沙漠所覆盖。这些全因为地球上的水均来源于海洋。

    沙漠

    变化并不仅限于水。假设人类可以勉强生存下去，冬夏两季的温度差会变得非常大。

    特别是日本，四面环海，受海洋的影响很大。海洋消失了，日本就会变成大陆性气候，而大陆性气候的特点，即昼夜温差大。大概会有30℃的温差吧。

    海洋消失，气象会发生重大变化

    白天需要冷气，晚上需要暖气。而且冬夏两季气温相差也很大，所以北风呼啸的冬天大概会像西伯利亚一般寒冷吧，而夏天50℃的高温也就不足为奇了。

    变化也会体现在风上。日本属于季风猖獗的国家。冬季为西北风，夏季为南风。

    季风是因陆地与海面温度不同而形成的，海洋消失后，季风也随之消失。另外，在日本的上空，一年四季偏西风不停，而这种风的形成必须是高纬度处的气温低于低纬度处。

    海洋一旦消失，高纬度处夏天的气温也很高，甚至有可能高于赤道附近。那样的话，有可能夏季见不到偏西风，而相反冬季的偏西风却变强，甚至会变成暴风雨。

    如上所述，海洋消失，气象会发生重大变化。换言之，海洋对气象有着决定性的影响。

    决定气温的要素

    为了调节温度，夏天有空调，冬天有暖气。空调吹出的冷气来自于电能。而煤油炉做成的暖气是靠燃烧煤油来生热的。

    地球通过太阳光线升温、通过放射冷却降温

    春季与秋季既不需要空调，也不需要暖气。大自然的温度恰好适宜。那么，大自然是如何保持这种既不热又不冷的气温呢？

    无论是冷空气还是暖空气，都与光有关。直接来源于太阳的光线（可视性光线）可使空气变暖，物体反射的红外线则会使空气变冷。

    地球在受热的同时，也把等量的热量释放到宇宙中去

    众所周知，把手罩在灯泡上会感觉到热。那是因为灯泡反射的光温暖了手掌。产生的热量取决于灯泡的度数。42瓦的灯泡在1秒钟内产生的热量可以将1克水加热至10℃。

    垂直照射在1平方米面积上的太阳光线，产生的热量与1370瓦灯泡产生的热量相同。这些光线源源不断地照射在地球的截面（通过地球中心的平面所截的面积=半个地球的面积），加热着地球。但地球的温度并非每年升高的。

    地球表面的温度平均保持在15℃左右。这是因为，地球在受热的同时，也把等量的热量释放到宇宙中去。地球四周为真空。地球虽然看起来像被隔离在魔球中，但实际上它在不停地向宇宙空间发射着红外线。

    那些红外线所带走的热量，使地球的温度不能持续升高。这种现象被称为“放射冷却”。大自然通过放射冷却降低空气的温度。

    总之，地球通过太阳光线升温、通过放射冷却降温，空调与暖气同时启动，且保持平衡，所以地球的气温既不会一味上升，也不会一味降低。

    放射冷却的强度与温度有关。地球温度越高，红外线脱离得越多。两者保持平衡时的温度为零下18℃（这一温度被称为“放射平衡温度”）。地面附近的平均气温为1.5℃，比放射平衡温度高33℃。

    这是因为，大气中含有的水蒸气与二氧化碳可以吸收红外线，使之停留在大气中。这些气体的这种作用被称为“温室效应”。

    可以产生温室效应的气体被称为温室效应气体。对地球而言，空气就像包在温室效应气体外的一席被褥，被褥外是零下18℃，被褥内为零上15℃。

    陆地与海洋之间的风

    在野外，总会有“风”拂过脸颊。究竟风是如何产生的呢？

    地球自转示意图从宇宙中看地球，会发现地球在进行着24小时的自转。包围地球的空气，也与地球进行着近乎同等的自转。

    如果空气的自转与地球的自转完全一致，那对生活在地球上的我们而言，空气可能就是静止的吧。即无风的状态。我们会感觉到风的存在，是因为空气的旋转与地球的自转还是略有差异。

    只不过，这种差异是很细微的，所以才说空气与地球进行着近乎同等的自转。

    地球上空气的循环是由两极与赤道的温度差所引起的。两极附近的空气冷却后变重。而赤道附近的空气受热后变轻。当重空气与轻空气相遇后，冷空气会下沉到暖空气下方，而暖空气上升至冷空气上方。

    因此就产生了空气的运动。如上图所示可证明这一道理。

    把一个细长的水槽平均隔成两个部分，左边加牛奶，右边加水。牛奶比水重，可相当于冷空气。把中间的隔离板取出，会发现牛奶顺着水槽的底部流向盛水的那部分。而水也从上方流向牛奶。

    但是，在研究地球整体的大气循环时，理论上应该吹有南北方向的风，但因为地球的自转，风向发生90°变化，成为东西方向的风。因此，在中纬地带会有偏西风（从西方吹来的风），在低纬地带会有偏东风吹过。

    但是，我们在地面附近并不能感觉到偏西风。偏西风在高空时风速很高，随着高度的降低，风速也减慢，在地面附近近似为零。在地面附近，因陆地与海洋温度的差异而形成了另外一种风，这种风被称为“海陆风”。

    生活在海边的人，白天会感受到从海上吹来的风，夜晚会感受到从陆地上吹来的风。这就是海陆风。

    白天，地面因太阳光的照射而温度升高，而海面温度变化不大。相比之下，海面上空的空气比陆地上空的空气要重，于是开始流向陆地，这就是“海风”。

    夏季有风从海洋吹向大陆，冬季有风从大陆吹向海洋

    夜间，地面因放射冷却温度降低，而海面温度所受影响很小，因此陆地上方的重空气流向海洋上空，即“陆地风”。

    通过实验可以发现，在海风（吹向陆地的风）的上面还有一股吹向海洋的风，这被称为“海风的回流”。海风起时，较低烟囱的烟雾飘向陆地，而较高烟囱的烟雾则飘向海洋。包括回流在内的海陆风大约厚1千米。

    陆地与海洋的温差尽管时常昼夜颠倒，但在大陆范围内，陆地上冬夏两季的温差（年温差）要高于海面上冬夏两季的温差。因此，夏季有风从海洋吹向大陆，冬季有风从大陆吹向海洋，这种风被称为“季风”。

    特别是欧亚大陆的周边，季风频繁。在印度与东南亚，伴随着季风，雨季与旱季相互交替，因此季风也成为雨季的代名词。

    海洋与台风

    每年，夏秋交接之际，台风都会从南侧登陆日本。

    台风产生于从菲律宾至赤道的北太平洋中偏西的海域上。那里一年四季水温很高，气流始终处于上升状态。

    海面蒸发的水蒸气

    在这种海域上，如果形成直径数百千米的逆时针方向旋转的旋涡（中心地带为低压区），云的形成就会受到影响。在旋涡的中心地带，积雨云较易形成；而在旋涡的四周，积雨云的形成就会受到抑制。

    在积雨云的中心存在着活跃的上升气流。从海面蒸发出的水蒸气被上升气流带至高空，再进一步凝结，释放出“潜在热量”（凝结时才能释放出的热量）。这种潜在热量被释放后，使大气温度更加升高，进一步加强了积雨云内部的上升气流（积雨云因潜在热量而膨胀的这种状态被称为“第1种有条件不安定”）。

    积雨云

    旋涡中心的积雨云不断增多后，旋涡周围海面上的空气就会被积雨云所吸引，聚集到旋涡中心来。因地球自转作用的影响，这些空气形成一种以逆时针方向旋转的螺旋状的气流，加强了原有的小旋涡。这种现象一旦得到持续，旋涡就会不断扩大，最终形成台风。在气象学上，最大风速在17.2米／秒以下的被称为“弱热带低气压”，在此之上的被称为“台风”。这种台风猖獗的状态被称为“第2种有条件不安定”。

    台风，即海面蒸发的水蒸气释放热量，使空气膨胀后形成的旋涡。海面水温越高，释放的热量越多，台风的威力就越大。

    台风

    台风受太平洋高气压带西侧气流的影响，北上逼近日本。

    但随着不断北上，海面水温逐渐降低，台风慢慢变弱。当接近日本时，日本列岛北侧的一股冷气团被卷进台风的旋涡中，带至台风西侧，有时甚至会形成“冷峰”。“台风变成温带低气压”所讲的即是此时的变化。

    风与浪

    不知你是否注意到，海边有时会出现“不闻风声，只见浪涌”的情况。

    海鸥

    乍看之下，海水似乎也随着波浪一起涌来，但实际上涌上来的只是水面上凹凸不平的形状，海水只不过在前后晃动而已。通过观察浮在水面上，被波浪轻轻摇动的海鸥或海藻，其中奥妙即可一览无余。

    拍打着岸边的海浪，全是远处海面上的风所引起的。无风时，海面是平静的，而一旦起风，海面上就会有一些像细小皱纹一样的微波吹起。

    当风持续不停时，水面上就会形成褶皱般的波纹。这种海浪被称为“风浪”。

    即使海面上风暴猖獗，海洋深处依然是风平浪静

    风浪是大浪与小浪的混合体，一边吸收着风的能量，一边与风同方向前进。如果风继续不停，越到下风处海浪越大。

    在强风的吹拂下，波峰处浪花飞溅，扬起白色的波纹，风停后，这些波纹也不会立即消失。锯齿状的细纹慢慢变圆，变成波纹，而波纹即使无风也可传到远处，拍打岸边的海浪，这就是到达岸边的波纹。

    每年九、十月份，在日本列岛的太平洋海岸，会有一种无风而起的大浪涌来，海水浴场都必须暂停营业。

    夏威夷的海浪这种海浪，是日本南边遥远的海洋上台风造成的波纹慢慢抵达日本海岸而形成的。夏威夷的海岸上，海浪更大，所以成为冲浪的旅游胜地。

    夏威夷的海浪均来自很远的地方。北面来自白令海峡，南面来自于南极海。两者均属于低气压带，海上风暴频繁。

    即使海面上风暴猖獗，海洋深处依然是风平浪静。因为海水的波动只局限于海面附近。在水深远远大于波浪的波长（两个浪峰之间的距离）时，海水在垂直面上做圆形运动。

    当波纹抵达海岸时，水深变浅，海水在波浪的前进方向及其反方向之间开始进行往复运动。同时，浪高（浪峰与浪谷之间的高度）会变大，当其高至一定程度时，浪峰就会大幅度地涌向前方，碎成片片。

    这一现象被称为“浪碎”，浪碎则意味着海浪一生的终结。

    海洋形成的降雪地带

    日本的冬天，西北季风显著。季风，是陆地与其邻近的海洋之间的温差形成的。

    西伯利亚高原

    冬天，太阳光能减少，地面因放射冷却而变冷，相应地地面附近的空气也受冷，温度下降。

    特别是西伯利亚高原，大面积地区温度降至零下50℃，冷气团形成了西伯利亚高气压。

    另一方面，受海风影响从海面至水下30米深处的海水，始终处于流动状态，即使严冬水温也不会低于零下2℃（低于零下2℃，海水就会结冰。太平洋的海域，冬天大多是不结冰的），所以陆地上又冷又重的空气就会流到暖而轻的海洋空气的下方。这就是西北季风。

    西北季风经由日本海与东海登陆日本，并且从温暖的海面上带来了大量的热量与水蒸气。

    水蒸气在高空形成云，再进一步变成雪，最终降落下来。一部分的雪降落至海面，另一部分随着登陆日本列岛的季风，降至日本海沿岸的陆地上。有时甚至会形成3米多高的积雪。

    但是，内陆的山脉地区很少下雪。因为大多数水蒸气在翻越山脉之前已以雪的形式降落下来了。

    因此，季风越过山脉后，空气干燥，太平洋沿岸晴天增多。冬天日本海沿岸与太平洋沿岸气候差异颇大，原因也正于此。

    山中的积雪，是水资源的重要来源。为了储存雨水，人们修建了水库。山上的雪，没有水库也不会流失。到了春天，雪融化后，或存于水库，或灌溉土地，有的甚至可以用来做饮用水。

    山中的积雪

    但另一方面，山坡上的积雪一旦发生雪崩，也会夺去登山者的性命。

    梅雨与局部暴雨

    6月中旬至7月中旬，是日本的梅雨季节。据气象卫星“向日葵”做出的气象图显示，这一时期，从中国大陆至日本东边的海洋上空，会出现一条东西方向的云带。

    梅雨锋

    在气象图中，锋面沿着云带前行，所以把这一锋面称为“梅雨锋”。

    梅雨锋的南侧属于太平洋高气压带。一望无际的太平洋即处于太平洋高气压带下。在高气压圈内，气流呈下降状态，所以不会形成大的云块。海面上接受的太阳光不仅升高了海水的温度，也加快了海面上水蒸气的蒸发。空气从海水中吸收的热量与水蒸气全部储蓄于高气压圈内，从而生成了温度、湿度高的气团。

    在高气压圈内空气呈顺时针方向流动，因此湿暖的气流沿着太平洋高气压的西侧，流入梅雨锋中。

    这股气流像人舌一样伸入梅雨锋，因此被称为“湿舌”。湿舌所提供的水蒸气是梅雨季节时雨水的主要来源。

    在日本西部与东京以北的地区，降雨方式大不相同。日本西部的降雨，主要来源于积雨云，雨势较大。东京以北的地区，主要是梅雨锋附近的低气压形成的降雨，多为连绵不断的小雨。

    积雨云多生成于夏季，但寿命较短，所以暴雨一般不会持续太长。

    在梅雨锋中生成的积雨云，极易在同一处反复出现，从而使雨量增多。这种现象被称为“局部暴雨”。

    一旦出现“局部暴雨”，河水上涨，桥梁倒塌，甚至洪水泛滥，土崩山陷，而且局部暴雨形成的地区范围很小，很难进行准确的预报。

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