地球上的水和大气是一切生物生命活动（包括人类生存）最基本的物质，因此，水圈和大气圈成了影响人类生存最为直接的两个圈层。这两个圈层在自然地理系统中起着最为重要的作用。它们不仅各自处在不断的运动中，而且它们之间还在相互渗透、相互制约、相互作用着。水汽是联系大气圈和水圈的纽带，它既是水圈的一部分，也是大气圈的重要组成成分。在大气圈中水汽含量的分布及其三相变化，造成了大气中天气现象的产生以及这些天气现象分布的地区差异。大气中一切天气现象的产生归根结底是水汽参与的结果，可以这么说，没有水汽的参与就不会有天气现象产生。

    大气圈的演化

    地球是太阳系中的一个成员，是无限宇宙中的一颗渺小的星星；但就地球本身来说，它的里里外外，又可分为好几个圈层。

    在地球的外围，包围着一层大气，人们把这层大气称为“地球的大气圈”，简称大气圈。它像一层厚厚的外套罩着地球，人类就生活在这大气的海洋里。大气直接影响着人类的生产与生活，它和人类的生存息息相关。

    地球的大气圈是怎样形成的呢？这个问题一直受到人们的注意和研究。但由于大气圈是在人类社会出现以前形成的，它的成因比较复杂，并且又与地球的起源、演化有着直接的关系。所以到目前为止，还没有一个完善的解释。比较一致的看法为：最初，当地球刚刚由星际物质凝聚成疏松的地球团时，空气不仅包围在地球表面，而且也渗透在地球内部。那时的空气成分以氢为主，约占整个气体成分的90%。此外，还有一些水汽、甲烷、氨、氦及一些惰性气体。

    以后，由于地心引力的作用，这个疏松的地球团就逐渐收缩变小。于是包含在地球内部的空气就被排挤出来，散逸到宇宙太空中去。到地球团收缩到一定程度后，收缩的速度便渐渐变慢，与此同时，地球的温度也渐渐降低，地壳便开始凝固起来。最后被排挤出来的一部分空气，就被地心引力拉住包围在地球的表面，形成了大气层。当时的大气层是很稀薄的，它的成分仍是氢、水汽、氦、甲烷、氨及一些惰性气体。

    地球大气圈和水圈大气层地壳形成以后，在古老的地质年代里，地壳内部又因放射性元素的不断发热，造成地层的大调整，使地壳的某些地方发生断层和褶皱。包含在岩石和地层中的一些气体，便被大量释放出来，补充到稀薄的大气层内。这时，大气上层已经有了水蒸气，它们在太阳光线的照射下，一部分被分解为氢和氧。这些分解出来的氧，一部分与氨中的氢结合，使氨中的氮分离出来；一部分与甲烷中的氢结合，使甲烷中的碳分离出来，碳又与氧结合成为二氧化碳。这样，大气圈内的空气，主要成分就变成为水蒸气、氮、二氧化碳和氧了。不过，那时候的二氧化碳比现在多，而氧则比现在少。

    大约在18亿年以前，水里面开始有了生物；在七八亿年前，陆地上开始出现植物。当时大气中二氧化碳含量比较多，十分有利于植物的光合作用，使植物生长得非常繁茂。植物的光合作用，吸收了大气中的二氧化碳，放出了氧，使大气的含氧量增加。大约在5亿年以前，地球上的动物增加很快，动物的呼吸又使大气中的部分氧转化为二氧化碳。

    地球上的动植物增多后，当动物的粪便和动植物的躯体腐烂时，蛋白质的一部分变为氨和铵盐，另一部分直接分解出氮，变为氨和铵盐的一部分，通过硝化细菌和脱氧细菌的作用，变为气体氨，进入大气。由于氮是惰性气体，在正常温度下不容易与其他元素化合，因此大气中的氮也就越积越多，最后达到了现在大气中的含氮量。从此，近地面的大气就变成了现在的成分，即氮约占78%，氧约占21%，其他微量气体的总和占不到1%。

    知识点空气密度

    在一个标准大气压下，每立方米空气所具有的质量（千克）就是空气密度。空气的密度大小与气温，海拔等因素有关，海拔越高密度越低。我们一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下，密度为1293kg/m3。通常情况下，即20摄氏度时，取1205kg/m3。

    大气圈的厚度与构造

    一、大气圈的厚度

    地球上的大气圈有多厚？也就是说从地球表面向上有多高，才能到达大气圈的最上边沿？对于这个问题，人们在很久以前，就已开始探索研究。

    最初，人们是根据云的高度来确定大气圈的厚度。我们知道，云是漂浮在大气中的细小水滴或冰晶组成的。有云的高空，一定有大气的存在。根据对普通常见云的观测，最高的云可达10~15千米。因此，最初人们认为大气圈的厚度在15千米以上。

    流星是宇宙中的小天体，当它进入地球大气圈以后，因为它以每秒20～100千米的速度运动，与空气摩擦生热而发光。于是，人们又根据流星出现的高度，来确定大气的厚度。流星一般开始出现在70~120千米的高空，因此人们就认为大气圈的厚度也就在70~120千米以上。

    日出以前，天空便开始发亮，日落以后，天空并不立即变暗。我们把这种日出以前和日落以后的天空皓亮现象，称为“曙暮光”。曙暮光是由于高层大气分子被太阳照射以后散射出的光亮。因此，根据测量曙暮光的高度，又确定大气圈的厚度在280千米以上。

    在两极地区的上空，常常可以出现五彩缤纷的放电现象，人们把它称为“极光”。极光是太阳辐射出来的电子流，进入高空稀薄的大气层后，产生的一种放电现象。因为地球是一个大磁场，所以极光仅出现在地球南极和北极地区的上空。根据对极光的测定，大气圈的厚度又在1200千米以上。

    人造地球卫星的上天，为人类进一步征服自然界开辟了新纪元。人造地球卫星到达了人类从来没有去过的高空，为我们搜集了大批研究高层大气的情报。根据近年来人造地球卫星探测的资料，地球大气圈的厚度应在3000千米以上。

    大气圈的厚度究竟是多少呢？这还要很好地研究才能解决。我们知道：空气是一种可以压缩的流动气体，在地球引力的作用下，上层空气压在下层空气的上面，下层空气的密度就被压得变大了，离地面越高的地方，受到上层的空气的压力越小，所以越往上去，空气的密度越小，空气就越稀薄了。据研究，地面上每立方厘米空气有255×1019个分子，在离地面5千米的上空，每立方厘米空气中有153×1019个分子；在100千米的高空，每立方厘米空气中有18×1013个分子；在1000千米的高空，每立方厘米空气中，就只有10万个分子，大约仅相当于地面空气密度的26×1014分之一。由此可见，空气是越向上越稀薄，以至于绝迹。所以大气圈的最上层，没有一个明显的界限。因此，要确定大气圈的厚度是比较困难的。

    二、大气圈的构造

    在3000多千米厚的大气圈里，人们生活在近地面的大气层中，对于近地面的大气情况，通过长期的反复实践，有了一定的了解。但是，高空中的大气是什么样呢？很久以来人们就在探索。

    早在18世纪中叶，人们就开始利用风筝把气象仪器带到空中去观测大气。但是，风筝只能上升到二三千米的高度，而且在风小时还升不起来，风大时又容易发生危险。到18世纪末期，人们发明了载人气球，用氢气球将人和气象仪器带到空中，进行探测。虽然获得了大气中的一些资料，但是这种方法既笨重又不经济，在探测高度上也是有限的。到了20世纪30年代，随着电子技术的发展，发明了无线电探空仪，用氢气球将气象仪器和无线电发报机带到高空中去。随着无线电探空仪的上升，气象仪器把沿途测量到的大气温度、大气湿度、大气压力等气象数值，通过无线电讯号不断地发回到地面接收站。此时，才算比较圆满地解决了空中的探测问题。以后，人们随生产和军事科学的进展，对大气的探测又提出了新的更高的要求，利用无线电探空仪探测大气高层的气象资料已远远不能满足要求了。经过广大科学工作者的努力，终于发明了气象火箭、气象雷达、气象卫星等，从而，人们对于大气高层的气象资料有了进一步的了解。

    气象工作者根据用各种方法探测到的高空气象资料，按照气温和空气运动的特点，把大气层分成对流层、平流层、中层、热层和外层。

    （一）对流层

    大气圈结构对流层是大气圈的最下层，它的高度在各地是不同的。赤道附近的地区，对流层的平均高度约十七八千米；两极附近的地区，对流层的平均高度约八九千米；在中纬度地区，对流层的平均高度约为10~12千米。在对流层内，空气温度随高度增加而降低，平均每上升100米，气温就下降065℃。因为，下面的空气温度高，密度小；上面的空气温度低，密度大，所以下面的空气就不断上升，上面的空气便下来补充上升的空气。这样在对流层内就发生了上上下下不停的对流运动，对流层之名就是由此而来。对流层对地面的影响最大，我们经常看到的天气现象如云、雨、雪、雹等都发生在这一层内。

    （二）平流层

    从对流层向上到五六十千米的高空称为平流层。在平流层内，气温随高度增加而增加。平流层内的气流比较平稳，几乎没有什么对流运动，因此比较适合飞机的飞行。这一层内的空气以水平运动为主，所以称为平流层。平流层内空气比对流层内稀薄得多了，水汽、尘埃的含量也很少，经常是晴空万里，偶尔可以看见贝壳色彩的贝母云。

    （三）中层

    从平流层向上到八九十千米的高空称为中层。在中层内，气温随高度的增加而下降。中层内尚有少量的水汽存在，因此，有时可以看见银白色的夜光云。

    （四）热层

    从中层向上到800千米左右的高空称为热层。这一层内的温度很高，而且温度的昼夜变化很大。

    （五）外层

    热层以上称为大气的外层。在外层内，空气温度更高，空气非常稀薄，一些高速运动的空气分子，可以挣脱地球引力，冲破其他分子的阻力而散逸到宇宙空间去，因此这一层又称为散逸层。

    大气层除根据气温和空气运动的特征划分为5层外，它还可以根据其他的物理特征来划分层次。如根据大气的电离现象，可以把大气划分为非电离层和电离层。非电离层离地面大约60千米以下，在这一层内，大气处于非电离状态。电离层是指离地面大约60千米以上的高空，在这一层内，由于太阳和其他天体射来的各种射线的影响，大气分子被电离层带电的正离子和自由电子。电离层又可划分为D层、E层、F层、G层，它们的高度和电离程度经常在变化，其中以离地面80~500千米的高空，电离程度比较高。电离层可以反射无线电波，所以它对无线电通讯具有重要的意义。

    知识点干洁空气

    干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体，简称干空气。干洁空气是大气的主体，平均约占低层大气体积的9997%（水汽平均约003%，杂质可忽略）。主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，其容积含量占全部干洁空气的9999％以上。其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。

    辽阔的地球水圈

    要谈地球上的水，不妨先让我们作一个假设：如果火星上也有居民，并且与我们有共同的语言，那么当“火星人”用极其强大的望远镜透过地球的大气层看地球时，他们会把地球叫做“水球”。这是因为在“火星人”看来，整个地球差不多是被碧蓝色的海水覆盖着。

    海洋面积占地球表面的71％，如果将海洋中所有的水均匀地铺盖在地球表面，地球表面就会形成一个厚度为2700米的水圈。“水球”的名字名副其实。

    水是宝贵的自然资源，也是自然生态环境中最积极、最活跃的因素。同时，水又是人类生存和社会经济活动的基本条件。

    大家看看地球仪，便可发现地球上的海陆分布是有一定特征的。北极圈里是一个几乎被大陆包围着的海洋，叫做北冰洋；南极圈里却是一个被海洋包围着的陆地，叫做南极洲。此外，我们还看到陆地主要分布在北半球，越向南半球，陆地面积越来越小，海洋的面积越来越大。在不同纬度地带上的海陆分布的比例也各有不同。

    地球上的海洋是互相联系着的一个整体。人们根据习惯把它分成太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋四个大洋。其中最大的是太平洋。它位于亚洲、南美洲、北美洲、大洋洲和南极洲之间，面积为17968万平方千米，约占海洋总面积的50%，它的水量几乎占地球表面总水量的一半。太平洋也是世界上最深的大洋，平均深度为4300米。最深处在太平洋西部的马利亚纳海沟，达11033米。人类至今还未到达过这么深的地方。1960年1月，有个叫皮卡尔的比利时人，曾乘坐专门制造的深海潜水器，在马利亚纳海沟，下潜到10919米的地方，但离最深的洋底还差114米呢。

    地球上的水资源大西洋位于欧洲、非洲、南美洲和北美洲之间，南临南极洲，北连北冰洋，面积约为9336万平方千米，差不多要比太平洋小一半，平均深度为3926米，是世界第二大洋。

    印度洋位于亚洲、非洲和大洋洲之间，南临南极洲，面积为7491万平方千米，平均深度为3897米，是世界第三大洋。

    北冰洋位于欧亚大陆和北美洲之间，大致以北极为中心，绝大部分在北极圈内。它是世界大洋中最小的一个，面积只有1310万平方千米，仅占海洋总面积的4%，平均深度也只有1200多米。北冰洋是个寒冷的海洋，它的表层海水温度年平均为-1~-2℃，几乎是一个“千里冰封”的世界。

    地球上的水除海洋外，还有河流、湖泊，以及藏在土壤和岩层的孔隙和裂隙中的水。分布在陆地表面上的水叫“地表水”，藏在土壤和岩石中的水叫“地下水”。

    陆地上的巨大水体是湖泊，各大陆上差不多都有一些大湖。欧亚大陆交界处的里海，面积有371万多平方千米，是世界上最大的湖。不过里海的水与海水一样是咸的，这种湖叫做“咸水湖”。欧亚大陆上中亚细亚的咸海，面积66万多平方千米，也是一个咸水湖。亚洲的贝加尔湖，面积31万多平方千米，它的最大深度为1741米，是世界上最深的湖泊。

    北美洲可说是世界上大湖最多的地方。尤以位于加拿大和美国边界上的苏必利尔湖、休伦湖、密歇根湖、伊利湖和安大略湖为最著名，其中苏必利尔湖是世界上第二大湖。这些大湖之间由水道和瀑布互相连通，面积共为245万多平方千米，号称“五大湖”。此外，加拿大的大熊湖和大奴湖，面积各为31万平方千米和3万平方千米，也是北美洲的大湖。

    非洲的大湖有维多利亚湖，面积约为69万平方千米，坦噶尼喀湖，面积约为33万平方千米，以及尼亚萨湖，面积约为3万平方千米。这些大湖集中分布在东非地区。其中维多利亚湖是世界第三大湖。所有这些大湖，除里海、咸海外，都是淡水湖。

    陆地上除了湖泊外，还有为数众多的河流，它们把大量地表水汇集起来，不停地送入海洋。少数河流则流入大陆内部的沙漠或内陆湖泊。世界上的大河，如按它们的长度来说，最长的是非洲的尼罗河全长6650千米；南美洲的亚马逊河，全长6400千米，居世界第二；北美洲的密西西比河，全长6270千米，居世界第四。在亚洲，我国的长江和黄河，分别长6380千米和5464千米，是世界第三和第五长河。此外，欧洲最长的河是伏尔加河，全长3690千米；大洋洲的大河是墨累河，长2575千米，但它们在世界大河中已不足称道了。

    如果按河流每年入海的总水量来说，那些位于热带、亚热带降雨丰沛地区的大河便名列前茅了。其中，亚马逊河仍然遥遥领先，居世界第一位。它每年入海的总水量约为3787立方千米；非洲的第二长河刚果河，每年入海的总水量约为1200立方千米，跃居世界第二位；我国的长江居世界第三位，每年入海总水量约1000立方千米，是欧洲第一大河伏尔加河的四倍；而黄河由于流经干旱、半干旱的北温带，流域面积比其他大河又小，所以它每年入海的总水量仅51立方千米，只是长江入海总水量的1/20稍多些。

    自然界的水通常是以液态、气态和固态三种形式出现的。海洋、湖泊及河流等水体主要是液态水，而气态水主要分布在大气中。一般地说，水汽主要分布在大气层的底层即对流层里。在大气层的顶部电离层里，水已分解成为氢和氧的离子状态了。

    对流层里的水汽分布是很不均匀的。如海洋上空含的水汽多，大陆内部干旱的沙漠上空含的水汽少。平均起来，1立方米空气中水的含量为02~1克，在个别情况下，如在积雨云里，1立方米空气中可含4~5克，甚至更多。空气中水汽总量是很微少的，但它却是地球上水的一个极重要的组成部分。

    地球上的固态水——冰和雪，主要分布在气候寒冷的地方，如南、北极地区或海拔很高的山上。这些地方经常下雪，同时积雪也不易融化。因此大量的雪，年复一年地积聚起来，互相压实、冻结，形成了坚硬的冰层，覆盖着地面和山峰。在南极洲和北极地区的格陵兰岛，这种面积广、厚度大的冰层被称为大陆冰川；覆盖在高山上的冰层叫做高山冰川。例如在我国的青藏高原和帕米尔高原的高山上，以及位于赤道地区的非洲乞里马扎罗山顶上都有这种高山冰川。

    知识点固体物质迁移

    固体物质迁移是地理坏境中重要的一项，内营力及外营力均可造成固体物质的迁移，但有效地传送地表固体物质的动力是外营力，包括风、波浪、潮汐、海啸、地下水、地表径流等，它们将物质从一地搬运至另一地沉积起来，进行着均夷作用使地表趋于平缓。固体物质搬运、迁移的方式有滚转、悬移、溶解、漂浮等4种。当侵蚀作用、搬运作用减弱，沉积作用出现，形成了泛滥平原、三角洲平原、冲积扇等地形。

    丰富的水量

    既然水在地球上分布得如此广泛，从天空到地下都有，那么地球上到底有多少水呢？要回答这个问题却很不容易。不少科学家曾搜集了许多资料，用不同的方法作过许多分析和计算，到目前为止仍不过是提出一些各不相同的概略数字而已。

    根据大家所常引用的估算数字，地球上海洋水体的总量约为137亿立方千米，占地表总水量的976%。地球上的固态水，即分布在极地的大陆冰川和高山冰川，总共约有3000万立方千米。这些冰川如果完全融化成淡水的话，将会使世界海洋面上涨50多米，能把陆地上广大的平原变成水乡泽国。

    陆地上的水，包括蓄在河流、湖泊、水库、沼泽及地表土壤层中的水，估计约有400万立方千米，而空气中的水只有12万立方千米。

    由此看来，地球表面的总水量约为14亿多立方千米。其中除海水占绝大部分外，冰川占21%，陆地水占03%，大气中的水量最少，仅占全部水量的百万分之九。

    除地表水外，岩层中和地球内部尚含有大量的水。它与人类的生产和生活密切相关。有人估算这部分地下水约有6000万~1亿立方千米，而其中与地表水能进行相互交换和沟通的地下水约有400万立方千米。在人类今后的生产和生活中，对这部分地下水的开发和利用将更加重视。

    知识点水的储存形式

    液态和固态水体所覆盖的地球空间：水圈中的水上界可达大气对流层顶部，下界至深层地下水的下限，包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物体内的水。各种水体参加大小水循环，不断交换水量和热量。水圈中大部分水以液态形式储存于海洋、河流、湖泊、水库、沼泽及土壤中；部分水以固态形式存在于极地的广大冰原、冰川、积雪和冻土中；水汽主要存在于大气中。三者常通过热量交换而部分相互转化。

    地球水循环

    有句成语叫“川流不息”，说的是水的流动性。事实上的确如此，世界上绝大多数的河流都在日夜不停地流向海洋。据估算，全年入海的河水总量有37400立方千米左右。然而陆地上的全部河流在同一时间内却只能容纳1200立方千米的水。那么河流从哪里得到这么多水源源不断地流入海洋？

    水和自然界里的所有物质一样，在不停地运动着、变化着，从一种状态变为另一种状态。河水主要是由大气降水补给的，大气降水来源于大气中的水汽，水汽的大部分又是海水蒸发后被气流带到陆地上空的，而海洋上空被带走了的这部分水，最终又被流入海的河水不断地补充着，从而构成了地球上水的循环。水循环说起来简单，其实，水的循环过程是相当复杂的。

    地球水循环图我们把世界大洋作为地球上水循环的起点。太阳照射着地球，每年要用3×1023卡的热量（占地球接受太阳能的25%），将整个地球表面511万立方千米的水，蒸发为水汽。其中从大洋表面蒸发的水就有411万立方千米，而它的2/3又经大气降水重新落到海洋里，构成水的小循环。其余1/3的水被气流带入大陆上空，和陆地上植物蒸腾的水汽以及从土壤、其他水体中蒸发的水汽合在一起，在陆地上空遇冷凝结，以雨或雪的形式落到地面。每年陆地上的降水量约达10万立方千米。其中一部分被地面植物截留或通过植物及地面重新蒸发到空中；一部分在地面低洼处汇成湖泊及河流，以河水形式重返海洋；另一部分则渗入地下，慢慢汇聚成地下水。地下水在土壤和岩石的孔隙中缓慢地流着，有的重新流到河床里变成河水，有的从地下慢慢流入海洋。此外，地球内部尚能分离出一部分水，通过火山喷发或温泉的形式上升到地面，这种水叫做“原生水”。每年由地球内部分离出的原生水相当有限。

    落到地面的雪融化后，以地表水或地下水形式回到海洋。而落到极地或高山上的雪所形成的高山冰川和大陆冰川也在缓慢地运动着，有的直接融化补给河流，有的直接缓慢地“爬入”海洋。不过这部分水返回海洋的周期就相当漫长了。

    总之，从海洋表面蒸发后，被气流带入陆地上空的那一部分水，最终又通过各种不同的途径重返海洋，水的这种循环叫做大循环。

    由此看来，“川流不息”的河水永不会枯竭，因为它是地球上永恒不绝的水循环的一个中间环节。同时我们也注意到，在水循环过程中，运动着的大气是水的一个极为重要的“运输工具”。如果没有它不知疲倦地从海洋向陆地运输着水汽，那么陆地早已成为一片荒漠了。由于地球上永不停息地进行着大规模的水循环，才使地球上的水能够以各种方式重新分配着，并为一切生物提供了生活条件。

    知识点海陆内循环

    地球上的水连续不断地变换地理位置和物理形态（相变）的运动过程，又称水分循环或水文循环。地球上的水包括海洋中的水、大陆上的水、大气中的水及地下水等，以气态、液态和固态形式存在。水循环的过程是：在太阳辐射能的作用下，从海陆表面蒸发的水分，上升到大气中；随着大气的运动和在一定的热力条件下，水汽凝结为液态水降落至地球表面；一部分降水可被植被拦截或被植物散发，降落到地面的水可以形成地表径流；渗入地下的水一部分从表层壤中流和地下径流形式进入河道，成为河川径流的一部分；贮于地下的水，一部分上升至地表供蒸发，一部分向深层渗透，在一定的条件下溢出成为不同形式的泉水；地表水和返回地面的地下水，最终都流入海洋或蒸发到大气中。

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