谈大气对液态水与生态系统的影响
来源:中国气象报社   发布时间:2005-12-20
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  球的环境条件是极其优越的,至今天文学家还没有发现与地球环境相似的另一颗星球。地球环境的优越性集中地表现为它拥有大量的液态水。可以说,地球正是有了液态水,才可能产生繁荣的生态系统与高度的人类文明。液态水的巨大作用在于它是最好的溶媒,它可以携带营养物质或废弃物质,实现生命现象所不能缺少的新陈代谢过程,水又是生产生命现象不可缺少的物质。因此,水被称作生命物质或生命之水。液态水还是地球环境宏观演变的基本因素。它渗入岩石,使之碎裂,并携带其中的细粒沉淀在平原之上,是土壤母质形成的原因。在水的作用下,有机质的进入,使土壤肥沃。

  液态水的存在需要一个理想的大气环境。大气的作用大致说来,有以下几个方面:

  首先水的液态需要很严格的温度条件,在地表气压为1000百帕的情况下,0℃-100℃是液态水存在的条件。这个压力与温度的形成,同大气的质量与地球各个圈层的辐射性质有密切关系。100℃的温度范围对人类而言,自然是很宽的,但在宇宙里,这个范围就极其狭窄了。根据天文观测,在其它行星与卫星上的温度不是几百度的高温,就是零下一百多度的低温。地球的温度精确地落在液态水存在的狭窄范围是很多原因共同作用的结果。

  天文条件是一个基本原因。太阳是一个大火炉,行星接受太阳辐射的数量同它与太阳的距离有密切关系。地球与太阳的距离正好适宜。另外,这与地球的自转速度也有着重要关系。昼夜的变化使地球各地轮换受到太阳的辐射。现在一昼夜24小时,人们就已经感到温差很大。如果昼夜的长度为48小时,甚至地球不自转,那么向日面就会十分炎热,而背日面会出现零下几百度的低温。在这种情况下,水就很难以液体的形式存在地面上。

  另外,温度并不完全取决于太阳辐射量,它还取决于地球本身。地球能够反射一定的太阳辐射,又能够放射一定的地球辐射。任何物质都能以辐射的形式发散热量,温度越低的物质散发的热量越少,辐射的波长偏向长波一方,这就是夜晚能够用红外线接收器看见目标物的原因。太阳辐射使地表升温,地表的温度高了,放射的辐射物有机质的光合作用会随之增加。当地面放射丧失的辐射量同它接收的太阳辐射在数量上平衡时,温度就不再上升。这时的温度叫做平衡温度。有意义的是,大部分地表的温度正好落在液态水存在的狭窄范围内,这在宇宙中是非常难得的。

  大气是地表层与宇宙之间的中间层,大气对辐射平衡有多种多样的影响,其中,温室气体的影响就很重要。地球的温室气体的含量又恰到好处。如果大气没有温室气体,地表的平均温度就要低得多,那时大部分水都会冰冻。相反,如果地球的温室气体达到金星的水平,二氧化碳的含量达到大气成分的95%,那里的温度高达470℃,液态水就难以存在了。

  地球大气另一个重大贡献就是它把地球的水封存起来,不使它逸失到太空里。大家知道,地球大气的最低层是对流层,对流层的上面是平流层,在平流层里空气是水平流动的,在这一层里水就受到了阻拦,无法逸向太空。水分的活动只限于对流层,永远不会逸出地球范围。如果没有大气的保护,再丰富的水量也无法在万亿年的时间里永远保存。

  空气的含水能力同空气的温度有密切的关系。据粗略估计,温度每增加10℃,它的含水能力约增加一倍。在热带海洋上吸足了水的空气流到大陆,遇到山脉或冷空气就会上升。据估计,海拔高度每上升1000米温度就会下降6℃,故大约上升1500米就会把它含水量的一半凝结成雨水降落到地面,这就是大陆能够得到水分滋润的原因。

  更重要的是地球的水分循环可以说主要是由大气完成的。地球表面最大的优越性之一在于存在大陆与海洋两种性质迥然不同的下垫面。水分都集中在海洋里,如果没有水分循环,大陆就会成为一片无水的荒漠。但是,大气充当了把水分从海洋输送到大陆执行者的使命,使大陆获得水分,成为生态系统繁荣和产生高度人类文明的基地。

  植物的光合作用是地球生物有机质的唯一生产机制。光合作用的原料与能源几乎全部取之于大气。焚烧一棵树后,留下的残灰一般不到原树重量的百分之一,这就说明,树木的成长主要原料是大气提供的二氧化碳与降水,而从土壤得到的矿物质是微不足道的。大气对生命体能的形成也是极其重要的,人们甚至把停止呼吸作为死亡的标志,也就是说,生命在同大气联系中断之时,人就离开了人间。

  由此可见,大气为我们营造一个设计极其周全的家园,认识大气与保护大气也应该是人们应尽的天职。 (来源于2005年12月20日《中国气象报》 作者:张家诚)