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同学们好，我是北京师范大学附属实验中学的地理老师吕悦。上一章我们学习了地球的宇宙环境及其圈层结构。这一章我们将开始学习第一个自然环境要素，大气。它包围着地球，保护并维系着我们的生存，人类一直努力探索着它的存在。 1960 年，美国基庭格上校乘坐氦气球搭载的简易吊篮上升至 32 千米的高空，创造了热气球上升最高高度和人类通过大气最高速度的历史记录，并在气球的开放吊舱上完成了破纪录的高空跳伞。老师给同学们提供了一份影像，请同学们在观看影像的过程中记录关键信息。回答以下问题。第一个问题，你能看到大气吗？大气是什么样子的？第二个问题，西庭阁上校乘坐热气球经过了大气层的哪几个部分？每层大气有什么特点？

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At 530, kitinger's preparations are over. He boards the gondola.

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30 minutes after takeoff, kitinger reaches 29000ft, the middle of the troposphere. At this altitude, the air is so thin that each breath contains only 1/3 of the oxygen found at sea level. Kitinger breeds from gas bottles connected to a sealed helmet. He's still barely 1/3 of the way to the jump point. There are another 14 miles to go and the air pressure is dropping rapidly. After 89 minutes, he approaches his target altitude. The balloons climb slows and then stalls. Kitinger is in the mid stratosphere, a record 102800ft high and it is now time to make the long, swift journey down.

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Every day, you can't tell that you're going fast. You can't tell anything. He falls for 16 miles. The thin air offers almost no resistance. He reaches 614 miles an hour, approaching the speed of sound. After a record breaking 4 minutes and 36 seconds of free fall, kittinger opens the main parachute. He drifts down to the desert floor and lands.

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那我们先来研究下第一个问题，你能看到大气吗？大气是什么样子的？在接近地表处，通常我们观察到的大气是无色无味、不可见的。随着热气球高度的上升，我们在大气中看到了云的存在。云实际是大气中的水气，以大气中的杂质为凝结合聚集产生的水滴或冰晶。大气中的水气和杂质含量因时因地而异。如果把低层大气中的水气和杂质除去，我们把剩余的混合气体称为干节空气。干解空气又是由什么组成？请同学们阅读这张图表。

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由图表可知， 25 千米以下的甘洁空气中， 21% 是我们赖以呼吸的氧气， 78% 是与岩石圈、生物圈发展历史息息相关的氮气，二者占据了甘洁空气总体积的99%，包括二氧化碳和亚气在内的其他气体占据了剩余的1%。这样的大气组成是地球长期演化的结果，我们很难在宇宙中找到同样的空气。根据地球的历史，所有生物已与大气条件完美匹配，最基本的新陈代谢都是由大气层塑造而成的。那么，根据同学们已有的知识和生活经验，你能一一对应出大气物质和它们的作用吗？大，其中氮是地球生物体的基本元素，氧维持了人类和其他生物的生命活动。

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水的向边产生了云、雨等天气现象，调节了地面和大气的温度、湿度。而杂质就是水汽的凝结河，是成云治雨的必要条件。二氧化碳是绿色植物光合作用的基本原料，它吸收地面辐射，对地面有保温作用。最后臭氧能够吸收太阳光中的紫外线，对生物有保护作用。这样的大气组成在短时期内不会有明显的剧烈的变化。但是科学家们仍然通过测量两极地区不同年代冰层的气体含量，以及通过卫星遥感图像等方式监测地球打气数据。

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这两张图表是科学家分别对二氧化碳和臭氧进行的数据观测。请大家读图观察这两种气体含量在监测时间段里发生了什么变化。你能推测发生变化的原因和影响吗？根据第一张图表，我们可以看出，在过去的近 300 年的时间里，二氧化碳体积分数总体趋势是向上持续增加的， 19 世纪中期开始增长，速度开始加快， 20 世纪中期开始迅速增加。这个变化的时间拐点是和人类的工业文明进程和世界人口增长密切相关的。随着化石燃料的燃烧，二氧化碳的释放量增加，同时人口增加造成的土地压力导致分离面积缩小，二氧化碳的吸收量减少，造成的影响就是目前备受争议的全球气候变暖问题。

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第二张图表是南极上空近 60 年大气抽氧总量最低值监测数据。我们看到从 1960 年开始，每年的 10 月份，臭氧总量最低值是在逐年减少的。当臭氧含量降低至 220 个多布森单位以下，也就是 20 世纪 80 年代初，我们认为出现了臭氧空洞，并且在 20 世纪的末期达到了臭氧空洞的极值。此后臭氧含量在逐渐增加，抽氧空洞有所缓解。工业社会生产使用的发泡剂、制冷剂等产品中含有氯氟碳化物，例如氟利昂会消耗大气中的臭氧。臭氧空洞会导致人类增加皮肤癌、白内障等疾病的患病率。

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所幸，随着世界各国的重视和全球合作的支持，臭氧层的保护已经取得进展。因此大气的组成在空间上不是均质的。例如这幅全球环境空气质量指数遥感监测图，图中展示全球低于 2. 5 微米的悬浮颗粒，也就是 PM2. 5 分布状况，红色越深代表空气污染越严重。由土可知，空气中悬浮颗粒浓度在不同地区差异很大。

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大气组成在时间维度上也不是固定不变的，人类活动会对大气组成造成不同程度的影响，例如刚刚案例中，二氧化碳和臭氧浓度会随时间发生变化，大气组成成分的比例在空间分布上不均。人类在生产生活中也会针对这一特点擅加利用。比如，同学们知道为什么在奥运赛场上，中长跑运动员的佼佼者和世界纪录保持者往往是来自于非洲、埃塞俄比亚或肯尼亚等国家的选手吗？大家请看教材 30 页的活动问题一，在非洲地形图上找出埃塞俄比亚、肯尼亚这两个国家，归纳他们共同的地形特点。你能推测这两个国家中长跑运动员成绩优异的原因吗？独陀可知，这两个国家的地形都是以高原为主，因此我们可以推测可能是高原地形下空气较平原地区更稀薄，氧气含量更低。当地运动员的心肺功能已经适应了高原的低氧环境，身体素质更强。因此，世界各国往往利用高原地形下的缺氧环境训练运动员。

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问题二，在中国地图上找到教材 30 页表 2. 1 所列的高原训练基地的位置，老师给出三个示例，分别是青海多巴、云南海梗和河北兴隆。我们发现这三个基地均位于 1800- 2400 海拔的高原上，这是世界公认的训练最佳海拔。问题三，参照表 2. 2 推测运动员为什么在更高海拔训练反而达不到理想成绩？我们看到更高的海拔含氧量实在是过低，反而不利于运动员的健康。像基婷格上校，进入到更高的大气环境中，氧气含量极低，还需要借助特殊工具维持呼吸。因此，这节课的第一部分，大气的组成，每一个成分都和地球的生命息息相关，它包括了以氮气和氧气为主的甘节空气，以及水汽和杂质。

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那么，同学们还记得老师的第二个观影问题吗？ 7 庭格上校乘坐热气球经过了大气层的哪几个部分？每层大气有什么特点？影片中提到了两个高度，一个是 9 千米的高度，对流层的中央。这里空气已经十分稀薄，空气中的含氧量仅为海平面的 1/ 3，气压迅速下降。一个是 31 千米终点的高度，平流层的中补。在这里，气球几乎不再上升，上校跳下后也几乎没有空气阻力。

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那么，什么是对流层？什么是平流层？显然，由于它们出现在不同的垂直高度上，导致含氧量、气压存在区别。除此以外还有差异吗？实际上，这是科学家根据温度、密度和运动状况对大气的垂直划分，自下而上划分为对流层、平流层和高层大气。首先，请同学们阅读教材的图 2. 5 以及教材 32- 33 页的文字来归纳各层的特点和现象。根据教材，我们可以得出不同纬度对流层高度范围并不一致，低纬度地区对流层顶层可达 17- 18 千米，高纬度地区对流层顶层在 8- 9 千米，对流层的气温随高度的升高而递减，对流运动显著存在云、雨、雾、雪等天气现象。人类生活在对流层的底部。平流层的高度范围为对流层顶部至 50- 55 千米的高空，气温随高度的升高而升高。平流层大气对流运动不显著，而以平流运动为主，水汽杂质少，没有云雨现象存在。航空飞行的人类活动。高层大气的高度范围为平流层以上，自平流层顶部气温随高度先下降后上升。由于高层大气已经非常稀薄，因此我们不强调这一层的气流运动。流星和极光出现在高层大气中，人类的火箭、人造卫星和无限电通信也存在于这一层。可见大气在垂直方向上从组成、气温、运动特点到其中的自然现象、人类活动都有明显的差异。

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同学们在归纳过程中有没有思考他们的因果关系？垂直方向上每一层大气的组成成分影响该层大气的气温变化特点，导致各层气流运动的方向出现差异。受以上因素的影响，各层大气中存在的自然现象和人类活动也不一致。老师以对流层为例，补充一些后续的知识点，帮助大家进行解释。

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大气是在地球引力的作用下包围我们的地表，因此对流层集中了大气圈质量的 3/ 4 和几乎全部的密度较大的水汽和杂质。下节课我们会学到，这层大气的热量绝大部分是来自于地面，因此随高度的升高，气温是在逐渐递减。大气的下部热空气会受热膨胀向上运动，而它的上部冷空气会收缩向下，也就是对流运动显著。这样大家就能理解，低纬度地区由于受热多，对流旺盛，对流层所达高度自然就高，可以达到 17- 18 千米。相反，高纬度地区受热少，对流运动较弱，对流层高度也就较低，顶部大约在 8- 9 千米。对流运动中上升的近地面的水汽和杂质会随高度升高，气温降低，形成云雨，也就形成我们常见的云、雨、雾、雪等天气现象。

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根据这样的逻辑，同学们能不能解释平流层和高层大气的规律？平流层的热量主要来自于太阳，该层大气的下层气温随高度的升高升温很小，但是 22- 27 千米范围内大气的臭氧含量达到了最大值，形成了臭氧层。臭氧吸收太阳紫外线，使得 30 千米以上气温开始随高度迅速的上升，上不热下不冷。因此垂直方向上对流现象不明显，而是以水平方向的平流运动为主，再加上水气杂质又少，因此没有云雨现象，能见度高，适合飞机航行。所以在影片中，上校的热气球上升至平流层，速度便逐渐变缓，周围呈现黑色，没有云层，最终停留在平流层中部 31. 3 千米的历史高度。

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平流层以上空气已经非常稀薄，流星和极光发生在高层大气中。这一层大气 80- 500 千米的高空有若干电离层，大气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态，能反射无线电波。人类利用这一现象发明了无线电通信。以济宁阁上校为代表的一众科学家、探险家们克服万南，为我们揭开了大气的神秘面纱。这节课我们了解了大气由干节空气和水气杂质组成，干节空气又以氮气和氧气为主，同时大气在不同高度呈现巨大的差异。科学家根据温度、密度和运动状况对大气进行垂直划分，包括人类活动集中有云雨现象的对流层，能见度高，以平流运动为主，是以飞机航行的平流层和极光流星出现的高层大气。人类探索增加了对大气的了解，又激发了对大气的应用。

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2012 年，奥地利探险家加特纳从 39 千米的高空跳伞，刷新了上校的记录。这一次它可以乘坐封闭的太空舱升空，配备了特制的宇航服，外表绝缘密封，内层填充了加压氧气，头盔内有液氧系统，护目镜中装有温度调节器。通过这一刻，同学们现在知道这些特殊装备分别是用来对应大气垂直分层中哪些层和哪些特点的吗？欢迎同学们课后讨论，那这一课就到这里，谢谢大家。