第二节 大气的组成与垂直分层 讲义 2026-2027学年高一上学期地理中图版必修一

第二节　大气的组成与垂直分层 讲义 【学习目标】 运用图表资料，说明低层大气的组成及各主要成分的作用。 结合实例，说明大气的组成与生产生活的联系。 运用大气垂直分层示意图，说出各层划分依据及主要特征。 综合分析大气的组成与垂直分层对人类活动的影响，培养人地协调观。 一、大气的组成 （一）大气圈概况 大气是包围在地球表面的一层气体，总质量约为 5.3×10¹⁵ 吨，仅为地球总质量的百万分之一。受地球引力作用，大气密度随高度增加而迅速减小，大气质量主要集中在下层：约 50% 集中在 5 千米以下，75% 集中在 10 千米以下，90% 以上集中在 30 千米以下。 大气并不是简单的“气体混合物”，而是由气态、液态和固态物质共同组成的连续圈层。按物质状态可概括为： 气态：氮气、氧气、二氧化碳、臭氧、惰性气体等； 液态：小水滴（云、雾、雨滴）； 固态：冰晶、雪花及悬浮的固体杂质（尘埃、烟粒等）。 ▲ 从太空俯瞰地球的大气层弧面 （二）大气组成与海拔的关系 大气的组成随海拔变化明显。通常把海拔 90 千米以下、成分相对均匀的部分称为“均匀层”；90 千米以上的高层大气，受太阳紫外线和宇宙射线作用，气体分子被电离、分解，成分随高度不断变化，以氮原子、氧原子等为主。 从下向上看，大气的物质组成可概括为： 高度范围 主要组成 0—90 千米（低层大气） 干洁空气、水汽、固体杂质 90 千米以上（高层大气） 氮原子、氧原子等，处于电离状态 由此可见，与人类生产生活关系最为密切的，是紧贴地面、厚度不足大气总厚度 1% 的“低层大气”。 （三）干洁空气的组成 干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的混合气体。其主要成分按体积计算长期保持稳定：氮约占 78%、氧约占 21%，加上氩约 0.93%，三者合计约占 99.97%；其余二氧化碳、臭氧、氖、氦等微量气体合计不足 0.03%。干洁空气的平均分子量约为 28.97。 ▲ 干洁空气的主要成分（体积分数） 为方便记忆，可将干洁空气的主要成分及其作用归纳如下： 成分 体积分数 / 特点 主要作用 氮气（N₂） 约 78%，含量最多 地球生物体内蛋白质的基本成分；性质稳定，可经生物固氮、闪电固氮进入土壤供植物利用 氧气（O₂） 约 21% 人类及一切生物维持生命活动必需的物质；参与呼吸、燃烧、氧化与分解过程 氩气（Ar） 约 0.93% 惰性气体，含量稳定，常用作示踪气体 二氧化碳（CO₂） 约 0.04%（变动） 绿色植物光合作用的重要原料；吸收地面长波辐射，是重要的温室气体，对地面起保温作用 臭氧（O₃） 含量极少 强烈吸收太阳紫外线，被誉为“地球生命的保护伞” 说明：氮、氧、氩属“常定成分”，比例基本不变；二氧化碳、臭氧及水汽属“可变成分”，其比例随地点、时间而变，虽含量极微，却对气候和生命活动影响巨大。 （四）水汽和固体杂质 除干洁空气外，低层大气中还有水汽和固体杂质，它们是天气变化的重要物质基础。 1. 水汽 来源：海洋、江河湖沼、土壤及植物表面的蒸发与蒸腾。其含量随地点、时间、高度变化很大，按体积计可从 0 到 4% 不等，主要集中在大气低层（1.5—2 千米高度的水汽含量仅约为地面的一半）。水汽是成云致雨的必要条件，也通过相变潜热参与大气能量交换。 2. 固体杂质（气溶胶） 包括尘埃、烟粒、盐粒、花粉等。它们一方面作为凝结核，是成云致雨的必要条件；另一方面会削弱太阳辐射、降低能见度，参与形成霾、雾等天气现象。城市大气中固体杂质较多，在其它因素相同时，往往比农村更容易形成降水。 【阅读】土卫六的大气成分 土卫六（泰坦）是土星最大的卫星，也是太阳系中唯一拥有浓厚大气层的卫星。其大气成分以氮气为主（约占 95%），其次为甲烷和少量氢气，与早期地球的还原型大气有相似之处。通过“惠更斯号”探测器对土卫六的探测，科学家得以对比不同天体大气的组成与演化，为研究地球大气的起源提供了重要参照。 思考：研究其他天体大气，对我们认识和保护地球大气有什么意义？ 【阅读】大气中的二氧化碳 自工业革命以来，大气中二氧化碳体积分数持续上升：从 19 世纪中叶的约 280 ppm 增加到 20 世纪 50 年代的约 315 ppm，2020 年前后已超过 410 ppm。主要原因包括： 大量燃烧煤、石油、天然气等化石燃料，向大气排放大量二氧化碳； 森林破坏（尤其是热带雨林）使植物吸收二氧化碳的能力下降。 二氧化碳浓度升高增强了大气的“温室效应”，导致全球变暖，进而引起冰川融化、海平面上升、极端天气增多和生物多样性减少等一系列环境问题。 【案例研究】大气组成的变化与人类活动 人类活动正在改变着大气的组成。例如： 人类活动 对大气的影响 主要后果 燃烧化石燃料、砍伐森林 二氧化碳增多 全球变暖、海平面上升 使用制冷剂等 氟氯烃等物质排放 破坏臭氧层，形成“臭氧层空洞” 工业废气、汽车尾气排放 二氧化硫、氮氧化物等增多 形成酸雨、光化学烟雾、雾霾 应对措施：减少化石燃料的使用、提高能源利用率、推广清洁能源、植树造林、控制氟氯烃排放、加强大气环境监测与管理等。 【活动】空气质量指数（AQI） 空气质量指数（AQI）是定量描述空气质量状况的数值。参与空气质量评价的主要污染物包括二氧化硫、二氧化氮、细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、一氧化碳和臭氧等六项。 课后探究：查询你所在地区当天的空气质量指数，判断属于哪一级；列举造成当地大气污染的 3 项人类活动，并提出 3 条针对性减排措施。 二、大气的垂直分层 （一）划分依据 大气在垂直方向上，温度、密度、气压等物理性质差异明显。人们依据大气在垂直方向上的温度、密度等物理性质以及大气的运动状况，把大气自下而上划分为对流层、平流层和高层大气（更细的划分还可分出中间层、热层、散逸层）。 ▲ 大气垂直分层及温度随高度的变化 （二）对流层 对流层是紧贴地面的大气最底层，与人类关系最为密切，是我们日常生活中全部天气现象发生的场所。其主要特征如下： 1. 气温随高度增加而递减 对流层大气的直接热源是地面长波辐射，离地面越高，获得的地面辐射越少，气温越低。平均每升高 1000 米，气温约下降 6.5℃（约每 100 米下降 0.65℃）。这也是“高处不胜寒”、山地出现垂直自然带的原因。 2. 对流运动显著 上冷下热的气温分布，使近地面空气受热膨胀上升、高空冷空气下沉，形成强烈的对流。对流运动的强弱随纬度而变化：低纬度受热多、对流旺盛，高纬度受热少、对流微弱。 3. 天气现象复杂多变 对流层集中了约 3/4 的大气质量和几乎全部的水汽与固体杂质。近地面的水汽和杂质随对流运动向上输送，在上升过程中气温降低、水汽凝结，成云致雨，因而风、云、雨、雪、雷、电等天气现象都发生在这一层。 4. 厚度随纬度和季节变化 地区（纬度） 对流层平均厚度 低纬度地区 17—18 千米 中纬度地区 10—12 千米 高纬度地区 8—9 千米 同一地区夏季的对流层厚度一般大于冬季（如南京夏季可达 17 千米，冬季约 11 千米）。 ▲ 大气垂直分层结构与各层特征 （三）平流层 平流层位于对流层之上，范围大致从 12 千米到 50—55 千米高空。其主要特征如下： 1. 气温随高度增加而升高 平流层下层气温变化很小，从约 30 千米向上，气温随高度增加而迅速上升。这是因为该层集中了大气中的臭氧，臭氧强烈吸收太阳紫外线而增温，形成上暖下冷的温度结构。 2. 以水平（平流）运动为主 由于上暖下冷、大气稳定，不易形成对流，气流以水平运动为主，故称“平流层”。水汽和杂质极少，天气晴朗、能见度好。 3. 利于高空飞行 平流层气流平稳、少天气扰动，加之能见度好、飞鸟难以到达，大型客机多在此层巡航飞行。 ▲ 臭氧层吸收太阳紫外线原理示意 4. 臭氧层：地球生命的“保护伞” 臭氧在地面附近含量极少，从 5—10 千米高度开始增加，在 20—25 千米（有的资料称 22—27 千米）高度达最大浓度，形成臭氧层。臭氧能大量吸收太阳紫外线，保护地面生物免受过量紫外线伤害；穿透大气层到达地面的少量紫外线，则有杀菌治病的作用。氟氯烃等物质的排放会破坏臭氧层，导致“臭氧层空洞”。 （四）高层大气 平流层以上的大气统称为高层大气，范围从约 50 千米一直延伸到 2000—3000 千米的高空。其主要特征如下： 1. 空气极其稀薄 随着高度增加，大气密度、气压迅速减小，空气极为稀薄，声音也难以传播。 2. 温度先降低后升高 在中间层（约 50—85 千米），气温随高度增加而迅速下降，顶部可降至 −83℃ 以下；到热层（约 85—800 千米），气温又随高度增加而迅速升高，在 300 千米高度可达 1000℃ 以上。高层大气的温度变化主要受太阳短波辐射（尤其是更短波长的紫外线）的吸收与电离过程控制。 3. 有电离层，能反射无线电波 在太阳紫外线和宇宙射线作用下，高层大气中的气体分子大量电离，形成电离层（主要集中在热层）。电离层能反射无线电短波，对远距离无线通信意义重大；其变化还会影响卫星定位、导航和电网安全。 4. 极光、流星现象的发生地 太阳风中的高能带电粒子进入地球磁场，在南北两极附近与高层大气中的气体分子碰撞，激发出绚丽的极光；流星体进入高层大气与大气摩擦燃烧，形成流星现象。高层大气也是人造卫星运行的主要空间。 （五）大气垂直分层特征比较 为便于系统掌握，将大气各层的主要特征归纳如下（高度均为约数）： 层次 高度范围 气温变化 运动状况 与人类的关系 对流层 低纬 17—18 km；中纬 10—12 km；高纬 8—9 km 随高度增加而递减 对流运动显著 集中 3/4 大气质量和几乎全部水汽杂质，天气现象复杂多变，与人类关系最密切 平流层 约 12—50 km 随高度增加而升高 以平流（水平）运动为主 含臭氧层，吸收紫外线；气流平稳、能见度好，利于高空飞行 中间层 约 50—85 km 随高度增加而迅速下降 垂直对流运动较强 气温可降至 −83℃ 以下，夏季高纬可见夜光云 热层（电离层） 约 85—800 km 随高度增加而迅速升高 大气高度电离 能反射无线电短波；产生极光 散逸层 约 800 km 以上至 2000—3000 km 温度很高 空气极稀薄 大气向宇宙空间过渡，人造卫星多在此层运行 （六）大气温度的垂直变化曲线 以气温为纵轴、高度为横轴绘制大气垂直变化曲线，可直观看到：气温随高度总体呈“递减—递增—递减—递增”的交替变化。这一特征正是划分大气各层的重要依据，也决定了各层大气运动方式和天气现象的差异。 温馨提示：宇宙飞船升空过程中，所穿越大气层的温度并非一直降低，而是经历“降—升—降—升”的多次变化。 三、大气的组成与垂直分层和生产生活的联系 （一）大气组成与生产生活的联系 大气成分是地球生命存在的基础。氧气维持生命，二氧化碳为光合作用提供原料并保温，臭氧阻挡紫外线，水汽和杂质造就多姿多彩的天气。人类活动改变大气组成的同时，也反过来影响自身的生存环境，因此保护环境、控制污染、走可持续发展之路，是人类共同的责任。 （二）大气垂直分层与生产生活的联系 层次 与生产生活的联系 对流层 人类活动的“舞台”：农业、交通、日常生活都受其天气变化影响；对流运动有利污染物扩散 平流层 航空飞行的主要空间；臭氧层保护地球生命；还可作为通信平台（平流层通信） 高层大气 卫星运行、航天活动的空间；电离层支撑无线电通信、广播与卫星导航；极光旅游 四、易错辨析 易错点 正确理解 “大气质量主要集中在高层大气” 错误。大气质量主要集中在低层，约 3/4 集中在 10—12 km 以下的对流层 “对流层气温随高度增加而升高” 错误。对流层气温随高度增加而递减 “全球各地对流层高度相同” 错误。低纬厚、高纬薄，且夏季厚于冬季 “平流层天气复杂多变” 错误。平流层水汽杂质少、气流平稳，天气晴朗；天气现象多发生在对流层 “臭氧层位于对流层” 错误。臭氧层主要集中在平流层（约 20—25 km 处浓度最大） “高层大气温度一直降低” 错误。高层大气（中间层）温度先降后升 “宇宙飞船升空时温度一直降低” 错误。穿越各层时温度经历降—升—降—升的交替变化 五、课堂小结 本节围绕“组成”与“分层”两条主线展开： 1. 大气的组成：低层大气由干洁空气、水汽和固体杂质组成。干洁空气以氮、氧为主，二氧化碳和臭氧含量虽少但作用巨大。 2. 大气的垂直分层：依据温度和大气运动状况，自下而上分为对流层、平流层和高层大气（更细分为中间层、热层、散逸层）。 3. 各层特征：对流层——气温递减、对流显著、天气复杂多变；平流层——气温递增、平流为主、利于飞行、含臭氧层；高层大气——空气稀薄、气温先降后升、有电离层、出现极光。 4. 人地关系：大气的组成与分层深刻影响着生产生活和人类健康，保护大气环境是每个人的责任。 第 页 学科网（北京）股份有限公司 $