1．大氣簡介
包圍地球的空氣稱為大氣。象魚類生活在水中一樣，我們人類生活在地球大氣的底部，並且一刻也離不開大氣。大氣為地球生命的繁衍，人類的發展，提供了理想的環境。它的狀態和變化，時時處處影響到人類的活動與生存。大氣科學是研究大氣圈層的一門科學。它研究大氣的具體情況，包括組成大氣的成分、這些成分的分布和變化、大氣的結構、大氣的基本性質和主導狀態的運動規律。
大氣的運動變化是由大氣中熱能的交換所引起的，熱能主要來源於太陽，熱能交換使得大氣的溫度有升有降。空氣的運動和氣壓係統的變化活動，使地球上海陸之間、南北之間、地麵和高空之間的能量和物質不斷交換，生成複雜的氣象變化和氣候變化。大氣科學將從氣壓的變化、氣壓分布不均形成的氣壓場和氣壓係統、各層大氣中空氣運動的各種情況、風的現象和性質等方麵，深入研究大氣中各種環流係統、天氣係統，以及基於流體力學、熱力學研究大氣運動的本質和現象。天氣，從現象上來講，絕大部分是大氣中水分變化的結果。在太陽輻射、下墊麵強迫作用和大氣環流的共同作用下，形成的天氣的長期綜合情況稱為氣候。大氣科學將研究氣候的成因，不同區域的氣候狀況，氣候變遷以及人類活動對氣候的影響等問題。
大氣汙染對大氣物理狀態的影響，主要是引起氣候的異常變化。這種變化有時是很明顯的，有時則以漸漸變化的形式發生，為一般人所難以覺察，但任其發展，後果有可能非常嚴重。大氣是在不斷變化著的，其自然的變化進程相當緩慢，而人類活動造成的變化禍在燃眉，已引起世界範圍的殷切關注，世界各地都已動員了大量人力、物力，進行研究、防範、治理。控製大氣汙染，保護環境，已成為當代人類一項重要事業。
據有關報道，中國科學院的科研人員近日利用自行設計的高精度冰芯氣泡甲烷提取分析係統，對青藏高原達索普冰芯進行了研究測試、實驗分析，獲得了近兩千年來高分辨率中低緯度大氣甲烷紀錄，使大氣溫室氣體與全球氣候變化相互作用的研究取得了突破性進展。通過對青藏高原達索普冰芯中甲烷記錄的研究，科研人員發現，1850年以來大氣中甲烷含量急劇上升，在過去的150年裏上升了1.4倍。而在兩次世界大戰期間人類活動甲烷排放呈負增長。專家稱，這一研究將為全球大氣的分布和變化特征提供定量評估的依據。
研究表明，隨著溫室氣體的不斷排放，地球大氣的“溫室效應”會越來越強。溫室氣體主要由水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、氟裏昂等成分組成，其中甲烷的溫室效應是二氧化碳的20倍，且在大氣中的濃度呈現出快速增長的趨勢。此外，研究還預測出：隨著溫室氣體的大量排放，全球氣溫將普遍上升。同時，地球生態係統將麵臨中緯度地區生態係統和農業帶向極區遷移和生物多樣性降低的威脅，突發性的氣候災難頻度增強，這些都將直接影響人類的生存與發展。
隨著全球人口的增長和人類活動的加劇，人類向大氣中排放的溫室氣體越來越多，使大氣中溫室氣體的含量成倍增加。專家指出，這些溫室氣體將通過氣候係統控製自然能量的流向，從而影響全球氣候的變化。事實上，人類排放到大氣中的氣體無一例外都要通過自然過程來消除，而消除過程本身則要通過破壞現有的氣候、環境及生態係統來完成。人類愈發認清：在環境汙染的肇事者名單中，無人可以逃脫；而在環境惡化的受害人名單中，也沒誰可以幸免！我們每一個人不僅僅是環境汙染的受害者，也是環境汙染的製造者，更是環境汙染的治理者。環境保護不僅僅是一個口號、一個話題，它更是一門係統的科學，更是一種意識、一種理念、一種生活方式。環境保護不但需要政府和專家學者，也需要公眾的廣泛參與。
2．臭氧層
臭氧層
地球表麵15～25公裏的高空，因受太陽紫外線照射的緣故，形成了包圍在地球外圍空間的臭氧層，這臭氧層正是人類賴以生存的保護傘。這就是大多數人對臭氧的全部認識。人類真正認識臭氧還是在150多年以前，由德國化學家先貝因博士首次提出在水電解及火花放電中產生的臭味，同在自然界閃電後產生的氣味相同，先貝因博士認為其氣味類似於希臘文的OZEIN（意為“難聞”），由此將其命名為OZONE（臭氧）。
自然界中的臭氧，大多分布在距地麵20Km50Km的大氣中，我們稱之為臭氧層。臭氧層中的臭氧主要是紫外線製造出來的。大家知道，太陽光線中的紫外線分為長波和短波兩種，當大氣中（含有21%）的氧氣分子受到短波紫外線照射時，氧分子會分解成原子狀態。氧原子的不穩定性極強，極易與其他物質發生反應。如與氫（H2）反應生成水（H2O)，與碳（C）反應生成二氧化碳（C02）。同樣的，與氧分子（O2）反應時，就形成了臭氧（O3）。臭氧形成後，由於其比重大於氧氣，會逐漸的向臭氧層的底層降落，在降落過程中隨著溫度的變化（上升），臭氧不穩定性愈趨明顯，再受到長波紫外線的照射，再度還原為氧。臭氧層就是保持了這種氧氣與臭氧相互轉換的動態平衡。
在這麼廣大的區域內到底有多少臭氧呢？估計小於大氣的十萬分之一。如果把大氣中所有的臭氧集中在一起，僅僅有三公分薄的一層。那麼，地球表麵是否有臭氧存在呢？回答是肯定的。太陽的紫外線大概有近1%部分可達地麵。尤其是在大氣汙染較輕的森林、山間、海岸周圍的紫外線較多，存在比較豐富的臭氧。
此外，雷電作用也產生臭氧，分布於地球的表麵。正因為如此，雷雨過後，人們感到空氣的清爽，人們也願意到郊外的森林、山間、海岸去吮吸大自然清新的空氣，享受自然美景的同時，讓身心來一次爽爽快快的“洗浴”，這就是臭氧的功效，所以有人說，臭氧是一種幹淨清爽的氣體。
大氣臭氧層主要有三個作用。其一為保護作用，臭氧層能夠吸收太陽光中的波長300μm以下的紫外線，主要是一部分UV—B(波長290～300μm)和全部的UV—B(波長＜290μm＝，保護地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。隻有長波紫外線UV-A和少量的中波紫外線UV-B能夠輻射到地麵，長波紫外線對生物細胞的傷害要比中波紫外線輕微得多。所以臭氧層猶如一件宇宙服保護地球上的生物得以生存繁衍。其二為加熱作用，臭氧吸收太陽光中的紫外線並將其轉換為熱能加熱大氣，由於這種作用大氣溫度結構在高度50km左右有一個峰，地球上空15～50km存在著升溫層。正是由於存在著臭氧才有平流層的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧氣，所以也就不存在平流層。大氣的溫度結構對於大氣的循環具有重要的影響，這一現象的起因也來自臭氧的高度分布。其三為溫室氣體的作用，在對流層上部和平流層底部，即在氣溫很低的這一高度，臭氧的作用同樣非常重要。如果這一高度的臭氧減少，則會產生使地麵氣溫下降的動力。因此，臭氧的高度分布及變化是極其重要的。
臭氧是無色氣體，有特殊臭味，因此而得名“臭氧”。由太陽飛出的帶電粒子進入大氣層，使氧分子裂變成氧原子，而部分氧原子與氧分子重新結合成臭氧分子。距地麵15～50千米高度的大氣平流層，集中了地球上約90%的臭氧，這就是“臭氧層”。
地球上的一切生物離開太陽光就沒有生命。太陽光是由可見光、紫外線、紅外線三部分組成。進入大氣層的太陽光（包括紫外線）有55%可穿過大氣層照射到大地與海洋，其中40%為可見光，它是綠色植物光合作用的動力；5%是波長100～400納米的紫外線，而紫外線又分為長波、中波、短波紫外線，長波紫外線能夠殺菌。但是波長為200～315納米的中短波紫外線對人體和生物有害。當它穿過平流層時，絕大部分被臭氧層吸收。因此，臭氧層就成為地球一道天然屏障，使地球上的生命免遭強烈的紫外線傷害。然而，近10多年來，地球上的臭氧層正在遭到破壞。
臭氧的測量包括鉛直氣柱中臭氧總量的測量和臭氧濃度鉛直分布的測量兩種。測量方法分直接法和間接法：前者對臭氧進行采樣分析；後者在臭氧層外進行測量，大都用光譜分析方法。臭氧測量結果，除采用通常的單位表示外，還用多布森單位，記為DU，它等於千分之一厘米（標準狀態臭氧層厚）。
臭氧間接測量法：光譜分析法是觀測穿過大氣層的太陽直射光或散射光的光譜，然後計算出臭氧含量及其鉛直分布。在臭氧吸收帶中（見大氣臭氧層），太陽直射光或散射光穿過大氣層，受到臭氧分子的吸收，並受到氣體分子和氣溶膠粒子的散射。波長為λ的單色太陽光，通過大氣層時輻射強度的削弱服從比爾定律。測量臭氧的常用光學儀器有多布森分光光度計和M-83濾光片臭氧儀。多布森分光光度計被認為是測量臭氧的標準儀器。其他類型的儀器都必須定期用它校準。M-83濾光片臭氧儀主要在蘇聯和歐洲的部分國家使用。用氣象衛星也可以測得全球臭氧的分布。如雨雲4號衛星上用後向散射紫外光譜儀(BUV)和紅外幹涉光譜儀(IRIS)進行大氣臭氧的觀測。前者測量大氣對太陽光的後向紫外散射，它接收2500～3400埃中12個波段的紫外光譜，由此反演出大氣臭氧含量全球的分布；後者除了測量大氣溫度和濕度外，還測量大氣臭氧（9.6微米波段，在此波段中接收4個波長的輻射）。將這兩種光譜儀結合起來，可以探測大氣臭氧濃度隨高度的分布，例如在雨雲6號衛星上，有臨邊輻射反演輻射儀(LRIR)，它接收大氣臭氧9.6微米輻射帶的信息，用輻射傳輸方程反演，可獲得臭氧的鉛直分布。
臭氧直接測量法用電化學或化學發光方法測量臭氧含量，可不受大氣透明度和天氣條件的限製，白天或黑夜均可進行觀測。
臭氧測量方法各有優缺點，常常要用多種方法互相補充，互相比較，以求獲得完整可靠的資料。
臭氧層被破壞的原因：地球上有一層保護膜，存在於包圍在地球的大氣中，就是臭氧層，臭氧層會將紫外線擋在地球外麵，保護地球上的生物不會受到傷害。人類製造了大量會破壞臭氧層的物質，使地球南北極的臭氧層受到破壞。
臭氧層破壞的影響：臭氧層被破壞造成地球紫外線增加，紫外線會破壞包括DNA在內的生物分子，增加罹患皮膚癌、白內障的機率，而且和許多免疫係統疾病有關。海洋中的浮遊生物受致命的影響，海洋生態係統受破壞。農作物減產。加強溫室效應。
我們應該做的事：氟氯碳化物的使用，購買冷氣、冰箱、汽車、噴霧劑等，應選購不含氟氯碳化物的產品。
3．大氣潮汐
由月球的引力作用，以及太陽的引力和熱力作用所引起的大氣壓的周期性漲落現象。地球上最接近太陽或月球的一邊，比遠離這些星球的另一邊所受到的引力要大，因此，每當地球繞地軸轉動一周時，地球上任一指定地點，都交替地外於較強和較弱的引力作用之下。與此同時，地球上的物體，還因地球相對太陽或月球運動而受到一個均勻的慣性離心力的作用，它和引力的合力，稱為引潮力，也叫起潮力(見海洋潮汐)。地球上麵向或背向太陽或月球的位置，引潮力最強，因而出現漲潮或高潮；在這兩個位置最中間的地帶，引潮力最弱，出現落潮或低潮。所以地球每自轉一周，任一指定地點無論大氣或海洋，都因為受到這種引潮力的作用而出現兩次漲潮和兩次落潮，它們的周期都為地球自轉周期的一半。
分析地麵上大氣潮汐的氣壓觀測資料發現，氣壓變化可以分解成周期為8、12和24小時等調和分量，其中半日周期的調和分量最為顯著。由太陽引起的大氣潮汐稱太陽潮，其氣壓變化的半日周期分量最有規律性，而且得到很仔細的研究。太陽潮的振幅在赤道附近最大(約1.2百帕)，逐漸向兩極減小；極區的振幅最小，且比較均勻(約0.1百帕)；在中緯度地帶，其經向梯度最大。令人驚異的事實是﹕在高緯地區，不同經度的氣壓極值出現在同一世界時；而在中緯度和低緯度地區，這些極值出現在同一地方時。由月球引起的大氣潮汐稱太陰潮，其氣壓變化的半日周期分量的振幅比太陽潮同一分量的振幅至少小一個數量級。太陰潮在赤道約為0.08百帕，在緯度30處約為0.02百帕。要分析這樣小的振幅，必須應用更精細的統計方法。
1687年I.牛頓在他的《自然哲學的數學原理》一書中首先解釋了海洋潮汐現象，同時指出：引潮力同樣會影響大氣，就像它影響海洋一樣。因此，大氣潮汐的概念可以說是牛頓第一個提出來的。由於月球離地球近，太陽離地球遠，月球引潮力和太陽引潮力的比為11：5，因此對海洋而言，太陰潮比太陽潮顯著。當時令人費解的是，為什麼在大氣裏覺察不到太陰潮。1799～1830年，P.-S.拉普拉斯對潮汐現象進行了大量研究。他首先建立了海洋和大氣潮汐的動力理論，並且認為大氣中的氣壓半日振湯，不是由於潮汐力，而是由於太陽的熱力作用所引起的。但他未能說明為什麼會出現這種半日振湯比全日振湯強許多倍的現象。1882年，開爾文從氣壓變化的諧譜分析出發，提出了共振理論。他認為在大氣的自由振湯中，可能有一個比較接近於12小時的振湯周期。由於共振，溫度的半日振湯被放大，使它的氣壓反應比周期為24小時的更為強烈。因此，雖然周期為半日的引潮力很小，但由於熱力作用所激發的半日周期氣壓分波，卻遠較全日分波為大。隨後，J.W.S.瑞利研究了大氣的自由振湯周期，發現大氣有周期為23.8小時和13.7小時的兩種振湯，因而無法證明開爾文的共振理論。後來，H.蘭姆、S.查普曼和G.I.泰勒對大氣振湯問題作了詳細的討論，求得相應的自由振湯周期是10.5小時。1937年，C.L.皮克利斯采用五層大氣模式，證明了大氣中有周期為10.5小時和12小時的自由振湯。現代的潮汐理論，不是從開爾文的單純溫度共振出發，而是建立在同時考慮大氣動力和熱力因子的較複雜的流體力學方程組基礎上的理論，它包括了太陽熱力的重要影響，故稱為現代動力理論。它可以解釋太陽和太陰半日周期的氣壓振湯，以及太陽半日周期分量大於其全日周期分量的事實。
許多研究結果指出，大氣潮汐不僅在氣壓場上有反映，而且在大氣風場、地球磁場等方麵也有反映。在對流層、平流層、中層和電離層中都有大氣潮汐現象，而且在高層和高緯度地區分別比低層和低緯度地區更加明顯。
4．紅色精靈
從1886年最早發現紅色精靈到以後的100年間沒有任何的文字圖像資料證明這種壯觀的大氣閃光現象形成的原因，直到1989年7月時任明尼蘇達綜合大學的物理學教授JohnR.才記錄了紅色精靈的影象，從此揭開了蒙在紅色精靈臉上100多年的神秘麵紗。
紅色精靈和藍色噴流是一種伴隨雷暴發生時的一種特殊的大氣放電現象，通常發生在雷雨雲層頂離地麵約三十到九十公裏的高空。紅色精靈上半部是紅色，底部則漸漸轉變為藍色，寬度約在五到十公裏內，可持續約數毫秒到一百毫秒的時間。由於這些發光體的顏色是紅色，且在空中出現的時間不到三十分之一秒，有如鬼魅一般難以捉摸，所以科學家稱它們為“紅色精靈”。
藍色噴流是美國阿拉斯加大學教授WESCOTT等人，一九九四年夏天用飛機進行紅色精靈觀測時意外發現的，形狀很像是從噴嘴高速射出的噴流，所以被命名為藍色噴流。除了它的顏色是藍色之外，藍色噴流持續發光平均時間約零點三秒，比紅色精靈要長約二十倍，另外藍色噴流可以很明顯看出發光的噴流從雲層中間向高空噴出，與紅色精靈是在高空發光，沒有噴射現象完全不同紅色精靈中還有一種特殊的類型就是淘氣精靈[有譯文翻譯為頑皮精靈或矮子]就如同紅色精靈一樣，是一種由閃電所引發的高空發光的現象，它具有火紅色、向外擴張的圈圈環形。其成因是雲對地閃電所發出的電磁脈衝，傳遞到電離層的底部後，加熱該處的分子並使它們發出紅色輝光。更精確地說，這種強烈的電磁脈衝是以雲對地閃電為中心，以光速傳遞的電波。當這個電磁脈衝向上傳遞的部分(圓殼部分)傳到約為75至100公裏的高度時，電磁波的電場加速電子，這些被加速後的電子會撞擊空氣分子並將其提升至可以發光的激發狀態。因而產生了以球殼和臨界層之交點為軸心，向外擴張的圈圈狀光環。
紅色精靈和藍色噴流最早是在1886年被發現，但一直沒有明確的資料證明與雷暴和閃電的關係。直到1989年7月6日時任明尼蘇達綜合大學的物理學教授JohnR.利用一台低光度攝影機記錄了一道跳躍的火焰。在回放時他和他的兩名研究生驚訝的發現在圖象中有兩個巨型的閃光出現在北明尼蘇達的天空上。之後他們很快的證明了紅色精靈和藍色噴流是在雷雲之上的一種特殊的閃電，也揭開了紅色精靈和藍色噴流近一個世紀的神秘麵紗。
“紅色精靈”是近年來所發現數種由閃電所引發的中高空發光現象之一，其可能的成因簡示如下：一般閃電是源自帶著負電荷的雲層底部，並向下落至地表。偶爾，閃電是源自雲層頂端積蓄的大量正電荷，因此閃電發生後，電離層和雲層頂有著很強大的電場，因此吸引著電子向上移動。在移動的過程中會和氣體分子碰撞，如果產生的電場夠強而且周圍的空氣夠稀薄，在和空氣分子撞擊之前，電子可以獲得相當高的能量，當電子撞擊空氣分子，會把它們撞到激發狀態，讓分子發出輝光，產生紅色精靈這種高空短暫發光現象。理論上，這種現象發生於40至90公裏的高空中。最亮的紅色精靈人類的肉眼就可以看見，但長久以來並不為人們所知，追究其原因在於它是發生在極端明亮的雲對地閃電之後，因此上述的現象並不會特別引起科學家們的注意。紅色精靈發光的時間通常持續不到三十分之一秒，亮度通常也不很明亮，出現的機會相當低，因此，科學家必須使用高感光度的攝影機，持續對雷雨雲的上空錄像，才能紀錄到這種高空短暫發光現象。1994年Sentman和Wescott第一次記錄到‘藍色噴流’這種怪異的現象，他們是飛機在高空中飛越強烈的風暴之上，為捕捉紅色精靈期間利用高靈敏度的照相機意外拍攝到的。由這些照片可以得知這種光以秒速120公裏自雲層頂端向上噴出，目前研究學者們正致力於找出可完整的解釋其成因的理論。