第二章 地球上的大气

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本章导览：本章围绕一条从"加热"到"运动"的链条展开：大气先被太阳和地面加热，受热不均产生气压差，气压差再推动空气水平流动成为风。先看大气由什么组成、为什么分层，再看能量怎样传递，最后看热量差异如何转化成环流与风。全球尺度的气压带、风带是三圈环流的结果，放在选择性必修1中深入，本章只打好这根系链的下半段。

第一节 大气的组成与垂直分层

1. 干洁空气、水汽与杂质各管一段

干洁空气中氮约占 78%、氧约占 21%，合计接近 99%，构成大气主体；剩下不到 1% 的二氧化碳和臭氧含量虽少，作用却关键：二氧化碳既是光合作用的原料，又能吸收地面放出的长波辐射；臭氧集中在平流层，吸收太阳辐射中的紫外线，使地面生物免受过量紫外线伤害。

水汽和杂质含量少、变化大，却是天气现象的物质基础：水汽是成云致雨的原料，杂质是水汽凝结的凝结核，两者还参与吸收和反射辐射。由此可推出：水汽和杂质集中在低层 → 云、雨、雾、雪几乎都发生在贴近地面的那层里，越往高处空气越稀薄、越干燥。

知识点要点

• 氮、氧构成大气主体，二氧化碳与臭氧决定关键功能。
• 水汽和杂质含量变化大，是成云致雨的前提。

2. 人类活动改变成分，后果沿两条路径显现

人类活动改变大气成分，主要有两条路径。一条是增加温室气体：燃烧化石燃料、破坏植被 → 二氧化碳浓度上升 → 大气吸收地面长波辐射能力增强 → 大气逆辐射增强 → 近地面热量散失变慢 → 全球平均气温上升。另一条是改变臭氧与颗粒物：某些人工合成物质破坏平流层臭氧 → 到达地面的紫外线增多；颗粒物增多 → 反射和散射增强 → 到达地面的太阳辐射减少。

两条路径方向相反，说明成分的影响不是单向的"污染越重越热"，而要分清哪种成分、在哪一层、改变了哪一种辐射过程。

3. 垂直分层的依据是温度的垂直变化方向

大气的垂直分层不按成分划分，而按温度随高度变化的趋势划分：温度随高度升高而降低的层次，上冷下热，对流旺盛；温度随高度升高而升高的层次，上暖下冷，空气稳定。

读图可知，自地面向上依次是对流层、平流层和高层大气。对流层气温随高度递减，集中了约四分之三的大气质量和绝大部分水汽，几乎所有天气现象都出现在这里；其厚度随纬度变化，低纬约 17—18 千米、中纬约 10—12 千米、高纬约 8—9 千米，因为低纬受热多、对流旺盛，能把对流层顶顶得更高。平流层因臭氧吸收紫外线而升温，气流平稳，适合高空飞行；高层大气的电离层能反射无线电波。与地球平均半径约 6371 千米相比，大气层只是地球外面薄薄的一层壳。

【重点原理】温度随高度的变化方向 → 决定这一层是否容易发生对流 → 决定天气现象出现在哪一层。判断"某现象为什么出现在这个高度"，要先看这一层的温度垂直结构，而不是背结论。

【易错提醒】对流层厚度"低纬厚、高纬薄"不能颠倒。原因不是低纬大气更多，而是低纬地面受热强、对流上升得更高，把对流层顶顶得更高。另一处易错是把"高处空气稀薄"当成"高处更冷"的全部理由：降温的根本原因是热量来自地面而非太阳直接加热，离热源越远越冷。

🔍 GeoInsight 可视化方向：【剖面切面】做一张可沿纬度滑动的垂直剖面，一侧是各层厚度随纬度变化的柱状结构，另一侧是温度随高度变化的折线，拖动纬度时柱厚与曲线拐点同步变化。

第二节 大气受热过程

1. 太阳辐射穿过大气时先被削弱

太阳辐射以短波为主，穿过大气时会被削弱，方式有三种：吸收、反射和散射。吸收有选择性，臭氧吸收紫外线，水汽和二氧化碳吸收红外线，可见光被吸收得很少；反射主要发生在云层和颗粒物表面，云层越厚，反射回宇宙空间的辐射越多；散射使波长较短的蓝紫光散开，晴朗天空因此呈蔚蓝色，颗粒物多时散射增强，早晚的太阳偏红也是同一原因。

由此可推出：太阳高度角越大，阳光穿过大气的路径越短，被削弱越少，到达地面的太阳辐射越强。太阳高度角的季节变化受黄赤交角约 23°26′ 控制，所以同一地点不同季节获得的太阳辐射量不同。

2. 地面是近地面大气的直接热源

太阳辐射以短波为主，穿过大气时被直接吸收的比例并不高，大部分能量先到达地面。地面吸收后温度升高，再以长波辐射的形式向外传递；近地面大气中的水汽和二氧化碳对长波辐射吸收能力强，于是大气被"自下而上"地加热。

这条链条解释了两件事：一是对流层气温随高度降低，因为离这个热源越远得到的热量越少；二是一天中气温最高值出现在午后而非正午，因为地面升温、再把热量传给大气需要时间积累。阴天则昼夜温差小。

【重点原理】太阳短波辐射 → 地面吸收 → 地面长波辐射 → 大气吸收 → 大气升温。判断任何气温变化问题，第一步都是先分清太阳辐射、地面辐射、大气辐射三者中谁的强弱变了。

【易错提醒】把大气说成"直接吸收太阳辐射而增温"是最常见的错误。大气对短波辐射吸收弱、对长波辐射吸收强，这个前提一错，昼夜温差、霜冻成因、逆温形成的分析会连环出错。

3. 大气逆辐射把热量"还"给地面

大气升温后同样向外辐射，其中射向地面的那部分叫大气逆辐射。它把地面散失的热量补偿一部分回来，这就是大气的保温作用：云量多、水汽含量大时逆辐射强，地面夜间降温慢；云量少、空气干燥时逆辐射弱，地面散热快。

保温作用能解释不少现象：晴朗无风的夜晚，地面辐射冷却强而逆辐射弱，近地面气温可能降到 0 ℃ 以下形成霜冻，所以农业上常在霜冻前灌水、熏烟，以增大近地面的水汽和颗粒物、增强逆辐射；塑料大棚则通过透过太阳短波辐射、阻挡地面长波辐射向外散失来保温。需区分的是，多云对白天气温是"压低"的，对夜间是"抬高"的。

【易错提醒】"白天多云气温低、夜间多云气温高"必须分开记，混在一起就成了矛盾结论。判断的关键是问自己：此时云层改变的是"到达地面的太阳辐射"，还是"地面射向太空的辐射"。

🔍 GeoInsight 可视化方向：【参数交互】设置"云量""水汽含量"两个滑块和一条昼夜时间轴，实时显示太阳辐射、地面辐射、大气逆辐射三条能量流的粗细，并同步画出地表温度曲线。

4. 温差、逆温与霜冻是同一条链条的不同输出

正常情况下对流层气温随高度升高而降低，暖空气在下、冷空气在上，容易对流，污染物也易扩散。但在晴朗无风的夜晚，地面辐射冷却很快，贴近地面的空气被迅速冷却，上层空气降温较慢，于是出现气温随高度升高而升高的层次，这就是逆温。

逆温一旦形成，大气层结变得稳定 → 空气不易上下交换 → 近地面的污染物和水汽被"压"在低层 → 出现雾、霾。因此判断一个地方清晨是否易出现雾，看的就是前一晚是否晴朗、无风、地面辐射冷却是否强烈。还要补一句：逆温不是天气现象，而是大气的温度结构状态，雾、霾、霜冻才是它带来的结果。

【重点原理】地面辐射冷却 → 近地面空气降温快于上层 → 出现逆温 → 大气稳定 → 污染物不易扩散、水汽易凝结。这条链条把"逆温"从需要背诵的名词，变成可以用辐射过程推出来的结果。

第三节 热力环流

1. 气压差异的根源是温度差异

等压面是空间上气压相等的点连成的面。没有受热差异时，等压面是水平的；一旦某地受热，空气膨胀上升，该地上空空气密度增大、气压升高，等压面向上凸起，近地面因空气减少形成低压，等压面向下凹陷。冷却处正好相反：空气收缩下沉，高空出现低压，近地面出现高压。

最易出错的是"高低压"的比较范围：近地面的低压是相对同一水平面的四周而言的，并不比高空的气压低——近地面气压永远高于高空，因为越往高处空气越少。

【易错提醒】两个错误最典型：一是把"近地面低压"理解成"比高空气压还低"，二是把等压面"上凸"记成低压。正确做法是先定水平面，再看弯曲方向：同一水平面上，等压面上凸处气压高、下凹处气压低。

2. 热力环流：先垂直、后水平

热力环流的形成可以拆成四步，顺序不能颠倒。第一步，地面冷热不均；第二步，受热处空气上升、冷却处空气下沉，产生垂直运动；第三步，垂直运动使同一水平面出现气压差，上升处近地面气压降低、高空升高，下沉处相反；第四步，同一水平面上的空气由高压流向低压，形成水平运动。

四步走完，一个闭合的环流圈就出现了。由此可推出一个实用判断：看到"某地气温异常偏高或偏低"，就往下推——它会形成上升或下沉气流 → 造成近地面气压异常 → 引起周围空气向它辐合或由它辐散。

【重点原理】受热不均 → 垂直运动 → 同一水平面产生气压差 → 水平运动 → 闭合环流。要点在"先垂直后水平"：水平运动是垂直运动的结果而不是原因，顺序颠倒就会把因果讲反。

3. 海陆风、山谷风与城市热岛是同一个模型

三个常见实例都可以用热力环流解释，区别只在于"谁升温快、谁降温快"。

海陆风：白天陆地升温快，气温高于海洋，陆地近地面形成低压，风由海洋吹向陆地，称为海风；夜晚陆地降温快，风由陆地吹向海洋，称为陆风。

山谷风：白天山坡受热多、升温快，坡面空气沿坡上升，谷底空气补充，风由谷底吹向山坡，称为谷风；夜晚山坡辐射冷却快，冷空气沿坡下沉到谷底，称为山风。这也是山谷夜间易积冷空气、易出现霜冻和逆温的原因。

城市热岛环流：城区人为热排放多、地面硬化、植被少，气温高于郊区，城区空气上升，近地面风由郊区吹向城区。所以有污染的工业应布局在热岛环流影响范围之外，绿地和水体宜放在城郊之间。

🔍 GeoInsight 可视化方向：【动态过程】在同一张底图上切换"白天/夜晚"，拖动"陆地与海洋温差"滑块，等压面弯曲方向、上升与下沉气流箭头、近地面风向同步改变。

第四节 大气的水平运动——风

1. 水平气压梯度力是风形成的直接原因

同一水平面上气压高低不同，就存在气压差。单位距离上的气压差叫气压梯度，它产生的力叫水平气压梯度力，方向垂直于等压线、由高压指向低压。空气在水平气压梯度力作用下由静止开始运动，就有了风，所以它是形成风的直接原因。

由此可推出风速的判断：等压线越密集，单位距离气压差越大，水平气压梯度力越大，风速越大；等压线越稀疏，风速越小。这也解释了为什么冷锋过境、台风靠近时等压线密集、风力猛增。等压线图上的数值以百帕为单位，海平面标准大气压约为 1013 百帕。

【重点原理】气压差 → 水平气压梯度力 → 空气加速 → 风。风力大小看等压线疏密，风的方向还要叠加地转偏向力和摩擦力才能确定。

2. 地转偏向力与摩擦力改变风向和风速

地转偏向力由地球自转产生，北半球使风向向右偏，南半球向左偏。它只改变风的方向，不改变风速，风速越大偏转越明显；风速为零时它也为零，所以它不能让静止的空气动起来。

摩擦力在近地面最显著，方向与风向相反，既减小风速，又通过减小风速削弱地转偏向力，使风向偏不到与等压线平行的程度，最终与等压线保持一个斜交角，通常约为 30°—45°。

两种情形对比：高空摩擦力可以忽略，水平气压梯度力与地转偏向力达到平衡，风向平行于等压线；近地面三力共同作用，风向斜穿等压线，但始终由高压一侧吹向低压一侧。

【易错提醒】地转偏向力"只改变风向、不改变风速"常被写成"使风速减小"，是典型的表述错误。另外，风向偏转指空气运动方向的偏转，不是气压梯度力方向的偏转——水平气压梯度力永远垂直于等压线、由高压指向低压。

3. 风向判断的三步法与应用

判断风向可以固定按三步走：第一步，画出水平气压梯度力方向，垂直于等压线、由高压指向低压；第二步，按所在半球把箭头向右（北半球）或向左（南半球）偏转一个角度；第三步，若在近地面再考虑摩擦力，让最终风向与等压线斜交。

以高空为例，北半球背风而立，低压在左侧、高压在右侧；近地面因摩擦力使风向更偏向低压一侧，低压位于左前方。

风向判断在实际中用途很广：污染物顺风输送，判断污染影响范围先看风向；风电场选址要看风向稳定性与风速，等压线密集、地形开阔处更有利；航海与航空也要依据高空与近地面的风向差异选择航线。全球尺度的气压带、风带与三圈环流是把这条链条放到整个地球尺度上的结果，属于选择性必修1的内容，本章只建立"受热不均 → 气压差 → 风"这一基本认识。

🔍 GeoInsight 可视化方向：【参数交互】给出一组等压线，叠加水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力三个可开关的矢量箭头；切换南北半球、拖动"地表粗糙度"滑块，风向与偏转角实时改变。

本章小结

1. 能量主线：太阳 → 地面 → 大气

全章第一根线是能量传递：太阳短波辐射到达地面 → 地面增温并放出长波辐射 → 大气吸收长波辐射而升温 → 大气逆辐射把一部分热量还给地面。这条线决定本章大多数结论：因为大气靠地面加热，所以对流层气温随高度降低；因为逆辐射强弱随云量和水汽变化，所以昼夜温差、霜冻、逆温都要从这里推。

【重点原理】全章最短的因果链是：太阳辐射 → 地面受热 → 大气受热不均 → 气压差异 → 空气水平运动。前半段属于受热过程，后半段属于热力环流与风，两段在"地面温度出现差异"处接上。

2. 运动主线：从气压差到风

第二根线是运动：受热不均产生垂直运动，垂直运动造成同一水平面的气压差，气压差再通过水平气压梯度力推动空气水平运动，地转偏向力和摩擦力改变风向与风速。本章知识因此可以串成一句判断：看到气温或气压异常，先问它由哪种加热过程造成，再问它引起怎样的垂直运动，最后问它形成什么方向的风。

三条跨节联系值得留意：其一，"越往高处气温越低"既是分层的原因，也是受热过程的结果；其二，热力环流的四个步骤是分析海陆风、山谷风、热岛环流的通用模板；其三，风向判断方法会直接用于后面学习气候类型与天气系统时对风向、降水关系的分析。