第三讲地球与大气

1、生活中的物理学物理系专业物理课程组主讲教师：唐永光第三讲第三讲 地球与大气地球与大气 课题一课题一 生活环境与物理生活环境与物理 空气负离子是一种带负电荷的空气离子，它对人类的健康具有重要意义，因此被喻为空气“维生素” 由于静电感应作用，只有负电荷才可以增强人体的造血功能和一些细胞的活力。 飞溅的的水流能产生负电荷，故在瀑布、喷泉、激流、海滨等附近的空气中，以及雨后的空气中，有着大量的负离子人们吸入这样的空气就会感到精神愉快、情绪轻松、周身舒服、消除疲劳等快意。一、可亲可爱的空气负离子二、功德无量的气体流动二、功德无量的气体流动 大气的流动，俗称风。风对于地球表面的污染物起着自然的稀释作用。

2、经研究发现，风速在4ms以上，污染物能够自然稀释；风速低于3ms，污染物能够移动，但不容易扩散；无风时，污染物在水平方向上的扩散趋于停止。三、生命的源泉太阳光 在正常情况下，太阳光内部成分稳定， 光谱成分丰富齐全，太阳光不仅是地球上一切生命的源泉，也是是人类健康的保证，人体的免疫功能只有经过太阳光的适当照射才能完整、健全和得以正常发挥。 如果人们长期处在只有黄、橙、红三色组成的灯光下生活，人体的内必泌系统会受到严重的损害，头昏眼花，昏昏欲睡，机体平衡失调，处于“光折磨”的病态之中而无法解脱。 当太阳活动激烈时，太阳辐射的紫外线、无线电波及高能粒子流、宇宙射线都会显著增加，使“洁净”的阳光遭受“

3、污染”。这时，如果过多地被太阳照射，人体免疫力将会受到严重破坏，导致产生一种感染力极强的病毒，很容易形成全球性流感灾难。 人类习惯生活在强度介于22.28Am56.5Am的地磁场中。如果生活环境中的磁场强度发生剧烈变化，人体就会产生不同程度的异常反应。 磁场对人体的作用极其复杂，这一作用不仅与磁场强度有关，而且与磁场的均匀程度、作用时间、作用部位都有关。 某些对磁场作用敏感的人，在磁场附作用下，很容易出现头痛、眩晕、耳鸣、急躁等病症。四、 复杂的磁场 五、有利有弊的物态变化 水蒸气变成云雾和雨滴，是自然界中最常见的物态变化 云雾犹如一层厚厚的覆盖物，极大地抑制着受污染的空气向上扩散，从而导致空

4、气的污染更为严重。 雨水对污染的空气有“洗尘”作用，空气中的污染物随雨落下，空气便得以净化。 不过无论雾或雨，一旦大气中的二氧化碳、硫化氢、氮氧化物溶于其中，形成酸雾或酸雨，地面的环境污染就会太大加剧。六、空气湿度 空气湿度与人类的生活环境关系密切 湿度太大，人们会感到沉闷和窒息，也容易使东西霉烂； 湿度过小，人们的口腔、鼻孔又会感到干燥难受. 最适宜人类生活的相对湿度是在3075的范围内。据调查资料表明，许多长寿者，都生活在湿度适宜的生活环境中.七、适度的紫外线照射 紫外线可以用于杀菌消毒以及治疗各种疾病。 过量的紫外线照射却会损害人体健康，如紫外线过量照射会诱发皮肤癌。钙元素是人类骨、齿必

5、需的元素，若紫外线过量照射会降低人体摄取钙元素的能力。八、电磁辐射电子设备工作时产生电磁辐射。如果一个人经常接受电磁辐射，会产生头痛、心烦、消瘦、脱发、失眠、心律减慢、食欲减退、血压不稳等症状。即使人体置于轻微的电磁场中，也会产生种种不适。电磁辐射不仅影响人体健康，而且还会使动物、植物退化。电磁辐射之间还会相互干扰，从而破坏机电设备的正常工作，使其动作失误而酿成事故。电磁污染己成为全球性的公害，人类必须时刻防范这一“看不见的烟雾 九、次声波 频率低于20Hz的次声波，人耳一般听不到。 因为高强度的次声波可以置各类动物的生命于死地。次声波若超过300dB，还可以迅速分解人体内部的五脏器官。1Hz

6、8Hz的次声波会使人毛骨悚然、恍惚不安，而9Hz12Hz的次声波却有助于人类的定向思维 次声波的产生 火山爆发、地震、海啸、雷电、台风等现象都伴有次声波的产生。一些空调设备上发出的次声波。 次声波的传播 次声波在传播的过程中能量损失（即衰减）比较小，可以传播到很远的地方，因此，次声波产生的危害范围比较广。十、使人头痛的噪声 由于近代工业的迅猛发展，各种各样的人为噪声也侵入自然界，干扰了人们的正常生活，严重地影响着人体的健康。为了改善人类的声波环境，许多环境保护工作已致力于研究噪声的产生、传播、评价、危害和控制技术.十一、放射线污染 放射性物质在我们用由环境中普遍存在，在正常情况下，自然界中微量

7、的放射线对人体的健康无害 随着频繁的核武器试验，核工业的迅速发展，放射性物质的广泛应用，生活环境中的放射剂量正在增多，有些地方已出现了放射性污染，对人体健康造成了严重危害 放射物质可以通过空气、饮用水、食物链等多种途径进入人体，放射性污染能使人的身体致残、诱发恶性肿瘤、白血病、以及各种传染性疾病等。十二、温室效应 二氧化碳气体对太阳光的透射率较高，而对红外线的吸收力却较强随着工业燃料的大量消耗，大气中二氧化碳成分增加，致使通过大气照射到地面的太阳光增强。同时地球表面升温后辐射的红外线也较多地被二氧化碳吸收，因此就构成了一个保温层，如同温室一样。 温室效应的加剧，会造成干旱和各种异常气候，使农业

8、减产。另外也会造成冰川的大量融化，使低洼岛国和沿海城市受到被淹没的严重威胁。课题课题二 天空的颜色与大气污染天空的颜色与大气污染 天空为什么是蓝色的天空为什么是蓝色的? 大气分子和悬浮在大气中的微小粒子，使得光偏离原来传播方向而向侧方散射开来的现象，称为介质对光的散射。 细微质点的散射遵循瑞利定律：散射光强度与波长的四次方成反比。当太阳光通过大气时，波长较短的紫、蓝、青色光最容易被散射，而波长较长的红、橙、黄色光散射得较弱，由于这种综合效应，天空呈现出蔚蓝色。 天空为什么不是紫色？ 根据瑞利的理论，当光波波长减少时，散射的程度急剧加强。所以光波波长最短的紫色光应该散射最强，靛青、蓝色和绿色的光

9、散射要少得多。那么为什么我们看见的是蓝天，而不是紫色和靛色的天空呢? 原来当散射光穿过空气时，吸收使它丧失了许多能量，波长很短的紫光和靛光虽然在穿过空气时，散射很强烈，但同时它们也被空气强烈地吸收，阳光到达地面时，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我们所目睹的天空颜色是光谱中蓝色附近颜色的混合色，它们呈现出来的就是蔚蓝天空的颜色。 早晚的天空为什么是早晚的天空为什么是红色红色的？的？早晚的天空为什么是红色的？早晚的天空为什么是红色的？ 朝霞和晚霞的形成都是由于空气对光线的散射作用。当太阳光射入大气层后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒，就会发生散射，每一个大气分子都形成了一个散射光源。根据瑞利散射

10、定律，太阳光谱中的波长较短的紫、蓝、青等颜色的光最容易散射出来，而波长较长的红、橙、黄等颜色的光透射能力很强。睛朗的天空总是呈蔚蓝色，而地平线上空的光线只剩波长较长的黄、橙、红光了。这些光线经空气分子和水汽等杂质的散射后，那里的天空就带上了绚丽的色彩。“朝霞不出门，晚霞行千里 早晨出现鲜红的朝霞，说明大气中水滴已经很多，预示天气将要转雨。如果出火红色或金黄色的晚霞，表明西方已经没有云层，阳光才能透射过来形成晚霞，因此预示天气将要转晴。 在非常洁净、未受污染的大气中，落日的颜色特点鲜明。 太阳是灿烂的黄色，同时邻近的天空呈现出橙色和黄色。 当落日缓缓地消失在地平线下面时，天空的颜色逐渐从橙色变为

11、蓝色。 太阳消失以后，贴近地平线的云层仍会继续反射着太阳的光芒。因为天空的蓝色和云层反射的红色太阳光融合在一起，所以较高天空中的薄云呈现出红紫色。几分钟后，天空充满了淡淡的蓝色，它的颜色逐渐加深，向高空延展。 未污染地区天空颜色 在19世纪末期，英国物理学家瑞利在1871年首先对此作出了解释。在地球表面的人是透过经空气散射的太阳光来看天空的。在洁净的、未受污染的大气中，大部分的散射是空气中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，这些分子的大小比可见光的波长要小得多。瑞利理论指出，散射光强和波长的四次方成反比()，在这种情况下，散射主要影响波长较短的光。因为蓝色位于光谱的后面，所以天空本身呈现出蓝色。

12、太阳光直接穿透空气，在散射过程中它失去许多蓝色，所以太阳本身呈现出灿烂的黄色。 为什么在洁净的空气中太阳呈现出黄色，同时天空呈现出蓝色呢?在一个污染地区天空的颜色在一个污染地区天空的颜色 在高度污染地区，当污染物以微粒的形式悬浮在空中时，天空的颜色不再是蔚蓝色。圆圆的太阳呈现出桔红色，同时天空一片暗红。红色明暗的不同反映着污染物的厚度。有时落日以后，两边的天空出现两道宽宽的颜色，地平线附近是暗红色的，而它的上方是暗蓝色。污染格外严重时，太阳看上去就像一只暗红色的圆盘。甚至在它达到地平线之前，它的颜色就会逐渐褪去。 解释工业社会，污染物通常是悬浮的微粒，它们由直径从0.01到1毫米不等的微粒组成

13、。瑞利的理论不能解释这种情况。戈什塔夫米证明了大粒子的散射取决于粒子线度与波长的比值，并于1908年提出了一个更为普遍的理论，它所覆盖的颗粒大小范围更大。这个理论指出，如果空气中有足够大的颗粒，它们将决定散射的情况。米氏的散射理论可以解释我们看见的城市天空的景象，颗粒越大，散射越多，同时散射的效果取决于波长。散射不仅在光谱的蓝色区域强烈，而且在绿色到黄色部分也很强。 所以穿过污染空气层时，太阳光的强度削弱了许多，太阳看上去更红一些，它已经失去它的蓝色、黄色和绿色成分。除了散射外，像臭氧和水蒸汽还会额外地吸收光能。结果圆圆的太阳呈现出黯淡、桔红的颜色。悬浮在空中的污染物，时间一久便会聚集成层，较

14、大的颗粒在地面附近形成了较浓密层。当太阳光穿透这些层时，它逐渐褪色，呈现出桔红色。散射的光失去了大量波长较短的光波，结果主要是红光得以穿透，天空呈现出暗红色。 为什么早、晚可以直视太阳，中午不能直视太阳？ 除了散射外，太阳光还被空气中的臭氧分子和水蒸气所吸收。因为空气层散射和吸收的共同作用，最终到达地面的太阳光消耗了许多能量。正因为早晨和傍晚，太阳光斜射穿过大气层，经过空气的路程长，能量损失过多，所以我们可以欣赏壮丽日出和美丽的日落景色。而在白天，阳光在大气中几乎垂直穿过大气层，经过的路程短，它的能量损失少，这时用肉眼直视太阳会使人头晕目眩，是很危险的。 课题三课题三 为什么为什么1980年迟

15、了一秒钟年迟了一秒钟 英国伦敦格林威治皇家天文台曾于1979年12月27日宣布：1980年将迟到一秒钟。为什么1979年的最后一分钟持续六十一秒呢？ 这是由于地球自转速度发生了小小的变化所造成的。 引起地球自转速度变化的原因 当地球物质在重力作用下向地球内部集中时，地球的转动惯量减小。根据动量矩守恒定律，地球自转加速，此时在重力控制下的离心力之水平分力推动下的地壳运动发生了。由于地壳岩层水平扭错而产生摩擦，地球深部岩浆活动以至喷出，这又导致了地球转动惯量加大，加上日月潮汐等天体作用的影响，地球自转速度又逐渐慢下来。随之，因重力的作用的结果，密度较大的物质又逐渐向地球内部集中，使地球质量又趋于集

16、中，则又孕育着新的更复杂的运动。这样，地球自转速度就发生了变化。地球自转速度的变迁现代生长的珊瑚，每年留下365条生长线。在中泥盆纪时代（距今约三亿五千万年）的某种珊瑚，则显示出一年内有385410条生长线。在晚石炭纪时代（距今约三亿年），却显示有380390条生长线。 如果地球绕太阳的轨道不变，它公转一周的时间则不可能有变化；那么，显然在过去那些年代，地球自转速度比现在快多了。 课题四课题四 潮汐产生的原因潮汐产生的原因 什么是潮汐 “大海之水，朝生为潮，夕生为汐。” 柏拉图的解释 地球和人一样，也要呼吸，潮汐就是地球的呼吸。他猜想这是由于地下岩穴中的振动造成的，就像人的心脏跳动一样。余道安

17、的解释 余道安在海潮图序一书中说：“潮之涨落，海非增减，盖月之所临，则之往从之。” 王充的解释 汉代思想家王充在论衡中写到：“涛之起也，随月盛衰。” 经典物理学对潮汐的解释 到了17世纪80年代，英国科学家牛顿发现了万有引力定律以后，提出了潮汐是由于月球和太阳对海水的吸引力引起的假设，从而科学地解释了潮汐产生的原因。 海水随着地球自转也在旋转，而旋转的物体都受到离心力的作用，使它们有离开旋转中心的倾向，这就好象旋转张开的雨伞，雨伞上水珠将要被甩出去一样。同时海水还受到月球、太阳和其它天体的吸引力，因为月球离地球最近，所以月球的吸引力较大。这样海水在这两个力的共同作用下形成了引潮力。由于地球、月球在不断运动，地球、月球与太阳的相对位置在发生周期性变化，因此引潮力也在周期性变化，这就使潮汐现象周期性地发生。课题五课题五 人体与大气压人体与大气压 人体与大气的关系呼吸调节体温大气的压力人体为什么感觉不到大气的压力？ 一般认为，标准的大气压是每平方厘米1.0336公斤。一个成年人的人体总共要受到12-15吨的大气压力。 由于大气压强总是从各个不同的方向施加作用的，并且大小相同，每两个大小相同的压力便相互抵消，所以人体才感觉不到那么大的压力，但它是客观存在的。 大气压与呼吸过程的关系当吸气