第三講地球與大氣

1、生活中的物理學(xué)物理系專業(yè)物理課程組主講教師：唐永光第三講第三講 地球與大氣地球與大氣 課題一課題一 生活環(huán)境與物理生活環(huán)境與物理 空氣負(fù)離子是一種帶負(fù)電荷的空氣離子，它對人類的健康具有重要意義，因此被喻為空氣“維生素” 由于靜電感應(yīng)作用，只有負(fù)電荷才可以增強(qiáng)人體的造血功能和一些細(xì)胞的活力。 飛濺的的水流能產(chǎn)生負(fù)電荷，故在瀑布、噴泉、激流、海濱等附近的空氣中，以及雨后的空氣中，有著大量的負(fù)離子人們吸入這樣的空氣就會(huì)感到精神愉快、情緒輕松、周身舒服、消除疲勞等快意。一、可親可愛的空氣負(fù)離子二、功德無量的氣體流動(dòng)二、功德無量的氣體流動(dòng) 大氣的流動(dòng)，俗稱風(fēng)。風(fēng)對于地球表面的污染物起著自然的稀釋作用。

2、經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速在4ms以上，污染物能夠自然稀釋；風(fēng)速低于3ms，污染物能夠移動(dòng)，但不容易擴(kuò)散；無風(fēng)時(shí)，污染物在水平方向上的擴(kuò)散趨于停止。三、生命的源泉太陽光 在正常情況下，太陽光內(nèi)部成分穩(wěn)定， 光譜成分豐富齊全，太陽光不僅是地球上一切生命的源泉，也是是人類健康的保證，人體的免疫功能只有經(jīng)過太陽光的適當(dāng)照射才能完整、健全和得以正常發(fā)揮。 如果人們長期處在只有黃、橙、紅三色組成的燈光下生活，人體的內(nèi)必泌系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重的損害，頭昏眼花，昏昏欲睡，機(jī)體平衡失調(diào)，處于“光折磨”的病態(tài)之中而無法解脫。 當(dāng)太陽活動(dòng)激烈時(shí)，太陽輻射的紫外線、無線電波及高能粒子流、宇宙射線都會(huì)顯著增加，使“潔凈”的陽光遭受“

3、污染”。這時(shí)，如果過多地被太陽照射，人體免疫力將會(huì)受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致產(chǎn)生一種感染力極強(qiáng)的病毒，很容易形成全球性流感災(zāi)難。 人類習(xí)慣生活在強(qiáng)度介于22.28Am56.5Am的地磁場中。如果生活環(huán)境中的磁場強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化，人體就會(huì)產(chǎn)生不同程度的異常反應(yīng)。 磁場對人體的作用極其復(fù)雜，這一作用不僅與磁場強(qiáng)度有關(guān)，而且與磁場的均勻程度、作用時(shí)間、作用部位都有關(guān)。 某些對磁場作用敏感的人，在磁場附作用下，很容易出現(xiàn)頭痛、眩暈、耳鳴、急躁等病癥。四、 復(fù)雜的磁場 五、有利有弊的物態(tài)變化 水蒸氣變成云霧和雨滴，是自然界中最常見的物態(tài)變化 云霧猶如一層厚厚的覆蓋物，極大地抑制著受污染的空氣向上擴(kuò)散，從而導(dǎo)致空

4、氣的污染更為嚴(yán)重。 雨水對污染的空氣有“洗塵”作用，空氣中的污染物隨雨落下，空氣便得以凈化。 不過無論霧或雨，一旦大氣中的二氧化碳、硫化氫、氮氧化物溶于其中，形成酸霧或酸雨，地面的環(huán)境污染就會(huì)太大加劇。六、空氣濕度 空氣濕度與人類的生活環(huán)境關(guān)系密切 濕度太大，人們會(huì)感到沉悶和窒息，也容易使東西霉?fàn)€； 濕度過小，人們的口腔、鼻孔又會(huì)感到干燥難受. 最適宜人類生活的相對濕度是在3075的范圍內(nèi)。據(jù)調(diào)查資料表明，許多長壽者，都生活在濕度適宜的生活環(huán)境中.七、適度的紫外線照射 紫外線可以用于殺菌消毒以及治療各種疾病。 過量的紫外線照射卻會(huì)損害人體健康，如紫外線過量照射會(huì)誘發(fā)皮膚癌。鈣元素是人類骨、齒必

5、需的元素，若紫外線過量照射會(huì)降低人體攝取鈣元素的能力。八、電磁輻射電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生電磁輻射。如果一個(gè)人經(jīng)常接受電磁輻射，會(huì)產(chǎn)生頭痛、心煩、消瘦、脫發(fā)、失眠、心律減慢、食欲減退、血壓不穩(wěn)等癥狀。即使人體置于輕微的電磁場中，也會(huì)產(chǎn)生種種不適。電磁輻射不僅影響人體健康，而且還會(huì)使動(dòng)物、植物退化。電磁輻射之間還會(huì)相互干擾，從而破壞機(jī)電設(shè)備的正常工作，使其動(dòng)作失誤而釀成事故。電磁污染己成為全球性的公害，人類必須時(shí)刻防范這一“看不見的煙霧 九、次聲波 頻率低于20Hz的次聲波，人耳一般聽不到。 因?yàn)楦邚?qiáng)度的次聲波可以置各類動(dòng)物的生命于死地。次聲波若超過300dB，還可以迅速分解人體內(nèi)部的五臟器官。1Hz

6、8Hz的次聲波會(huì)使人毛骨悚然、恍惚不安，而9Hz12Hz的次聲波卻有助于人類的定向思維 次聲波的產(chǎn)生 火山爆發(fā)、地震、海嘯、雷電、臺(tái)風(fēng)等現(xiàn)象都伴有次聲波的產(chǎn)生。一些空調(diào)設(shè)備上發(fā)出的次聲波。 次聲波的傳播 次聲波在傳播的過程中能量損失（即衰減）比較小，可以傳播到很遠(yuǎn)的地方，因此，次聲波產(chǎn)生的危害范圍比較廣。十、使人頭痛的噪聲 由于近代工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種各樣的人為噪聲也侵入自然界，干擾了人們的正常生活，嚴(yán)重地影響著人體的健康。為了改善人類的聲波環(huán)境，許多環(huán)境保護(hù)工作已致力于研究噪聲的產(chǎn)生、傳播、評價(jià)、危害和控制技術(shù).十一、放射線污染 放射性物質(zhì)在我們用由環(huán)境中普遍存在，在正常情況下，自然界中微量

7、的放射線對人體的健康無害 隨著頻繁的核武器試驗(yàn)，核工業(yè)的迅速發(fā)展，放射性物質(zhì)的廣泛應(yīng)用，生活環(huán)境中的放射劑量正在增多，有些地方已出現(xiàn)了放射性污染，對人體健康造成了嚴(yán)重危害 放射物質(zhì)可以通過空氣、飲用水、食物鏈等多種途徑進(jìn)入人體，放射性污染能使人的身體致殘、誘發(fā)惡性腫瘤、白血病、以及各種傳染性疾病等。十二、溫室效應(yīng) 二氧化碳?xì)怏w對太陽光的透射率較高，而對紅外線的吸收力卻較強(qiáng)隨著工業(yè)燃料的大量消耗，大氣中二氧化碳成分增加，致使通過大氣照射到地面的太陽光增強(qiáng)。同時(shí)地球表面升溫后輻射的紅外線也較多地被二氧化碳吸收，因此就構(gòu)成了一個(gè)保溫層，如同溫室一樣。 溫室效應(yīng)的加劇，會(huì)造成干旱和各種異常氣候，使農(nóng)業(yè)

8、減產(chǎn)。另外也會(huì)造成冰川的大量融化，使低洼島國和沿海城市受到被淹沒的嚴(yán)重威脅。課題課題二 天空的顏色與大氣污染天空的顏色與大氣污染 天空為什么是藍(lán)色的天空為什么是藍(lán)色的? 大氣分子和懸浮在大氣中的微小粒子，使得光偏離原來傳播方向而向側(cè)方散射開來的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)對光的散射。 細(xì)微質(zhì)點(diǎn)的散射遵循瑞利定律：散射光強(qiáng)度與波長的四次方成反比。當(dāng)太陽光通過大氣時(shí)，波長較短的紫、藍(lán)、青色光最容易被散射，而波長較長的紅、橙、黃色光散射得較弱，由于這種綜合效應(yīng)，天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色。 天空為什么不是紫色？ 根據(jù)瑞利的理論，當(dāng)光波波長減少時(shí)，散射的程度急劇加強(qiáng)。所以光波波長最短的紫色光應(yīng)該散射最強(qiáng)，靛青、藍(lán)色和綠色的光

9、散射要少得多。那么為什么我們看見的是藍(lán)天，而不是紫色和靛色的天空呢? 原來當(dāng)散射光穿過空氣時(shí)，吸收使它喪失了許多能量，波長很短的紫光和靛光雖然在穿過空氣時(shí)，散射很強(qiáng)烈，但同時(shí)它們也被空氣強(qiáng)烈地吸收，陽光到達(dá)地面時(shí)，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我們所目睹的天空顏色是光譜中藍(lán)色附近顏色的混合色，它們呈現(xiàn)出來的就是蔚藍(lán)天空的顏色。 早晚的天空為什么是早晚的天空為什么是紅色紅色的？的？早晚的天空為什么是紅色的？早晚的天空為什么是紅色的？ 朝霞和晚霞的形成都是由于空氣對光線的散射作用。當(dāng)太陽光射入大氣層后，遇到大氣分子和懸浮在大氣中的微粒，就會(huì)發(fā)生散射，每一個(gè)大氣分子都形成了一個(gè)散射光源。根據(jù)瑞利散射

10、定律，太陽光譜中的波長較短的紫、藍(lán)、青等顏色的光最容易散射出來，而波長較長的紅、橙、黃等顏色的光透射能力很強(qiáng)。睛朗的天空總是呈蔚藍(lán)色，而地平線上空的光線只剩波長較長的黃、橙、紅光了。這些光線經(jīng)空氣分子和水汽等雜質(zhì)的散射后，那里的天空就帶上了絢麗的色彩?！俺疾怀鲩T，晚霞行千里 早晨出現(xiàn)鮮紅的朝霞，說明大氣中水滴已經(jīng)很多，預(yù)示天氣將要轉(zhuǎn)雨。如果出火紅色或金黃色的晚霞，表明西方已經(jīng)沒有云層，陽光才能透射過來形成晚霞，因此預(yù)示天氣將要轉(zhuǎn)晴。 在非常潔凈、未受污染的大氣中，落日的顏色特點(diǎn)鮮明。 太陽是燦爛的黃色，同時(shí)鄰近的天空呈現(xiàn)出橙色和黃色。 當(dāng)落日緩緩地消失在地平線下面時(shí)，天空的顏色逐漸從橙色變?yōu)?/p>

11、藍(lán)色。 太陽消失以后，貼近地平線的云層仍會(huì)繼續(xù)反射著太陽的光芒。因?yàn)樘炜盏乃{(lán)色和云層反射的紅色太陽光融合在一起，所以較高天空中的薄云呈現(xiàn)出紅紫色。幾分鐘后，天空充滿了淡淡的藍(lán)色，它的顏色逐漸加深，向高空延展。 未污染地區(qū)天空顏色 在19世紀(jì)末期，英國物理學(xué)家瑞利在1871年首先對此作出了解釋。在地球表面的人是透過經(jīng)空氣散射的太陽光來看天空的。在潔凈的、未受污染的大氣中，大部分的散射是空氣中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，這些分子的大小比可見光的波長要小得多。瑞利理論指出，散射光強(qiáng)和波長的四次方成反比()，在這種情況下，散射主要影響波長較短的光。因?yàn)樗{(lán)色位于光譜的后面，所以天空本身呈現(xiàn)出藍(lán)色。

12、太陽光直接穿透空氣，在散射過程中它失去許多藍(lán)色，所以太陽本身呈現(xiàn)出燦爛的黃色。 為什么在潔凈的空氣中太陽呈現(xiàn)出黃色，同時(shí)天空呈現(xiàn)出藍(lán)色呢?在一個(gè)污染地區(qū)天空的顏色在一個(gè)污染地區(qū)天空的顏色 在高度污染地區(qū)，當(dāng)污染物以微粒的形式懸浮在空中時(shí)，天空的顏色不再是蔚藍(lán)色。圓圓的太陽呈現(xiàn)出桔紅色，同時(shí)天空一片暗紅。紅色明暗的不同反映著污染物的厚度。有時(shí)落日以后，兩邊的天空出現(xiàn)兩道寬寬的顏色，地平線附近是暗紅色的，而它的上方是暗藍(lán)色。污染格外嚴(yán)重時(shí)，太陽看上去就像一只暗紅色的圓盤。甚至在它達(dá)到地平線之前，它的顏色就會(huì)逐漸褪去。 解釋工業(yè)社會(huì)，污染物通常是懸浮的微粒，它們由直徑從0.01到1毫米不等的微粒組成

13、。瑞利的理論不能解釋這種情況。戈什塔夫米證明了大粒子的散射取決于粒子線度與波長的比值，并于1908年提出了一個(gè)更為普遍的理論，它所覆蓋的顆粒大小范圍更大。這個(gè)理論指出，如果空氣中有足夠大的顆粒，它們將決定散射的情況。米氏的散射理論可以解釋我們看見的城市天空的景象，顆粒越大，散射越多，同時(shí)散射的效果取決于波長。散射不僅在光譜的藍(lán)色區(qū)域強(qiáng)烈，而且在綠色到黃色部分也很強(qiáng)。 所以穿過污染空氣層時(shí)，太陽光的強(qiáng)度削弱了許多，太陽看上去更紅一些，它已經(jīng)失去它的藍(lán)色、黃色和綠色成分。除了散射外，像臭氧和水蒸汽還會(huì)額外地吸收光能。結(jié)果圓圓的太陽呈現(xiàn)出黯淡、桔紅的顏色。懸浮在空中的污染物，時(shí)間一久便會(huì)聚集成層，較

14、大的顆粒在地面附近形成了較濃密層。當(dāng)太陽光穿透這些層時(shí)，它逐漸褪色，呈現(xiàn)出桔紅色。散射的光失去了大量波長較短的光波，結(jié)果主要是紅光得以穿透，天空呈現(xiàn)出暗紅色。 為什么早、晚可以直視太陽，中午不能直視太陽？ 除了散射外，太陽光還被空氣中的臭氧分子和水蒸氣所吸收。因?yàn)榭諝鈱由⑸浜臀盏墓餐饔?，最終到達(dá)地面的太陽光消耗了許多能量。正因?yàn)樵绯亢桶恚柟庑鄙浯┻^大氣層，經(jīng)過空氣的路程長，能量損失過多，所以我們可以欣賞壯麗日出和美麗的日落景色。而在白天，陽光在大氣中幾乎垂直穿過大氣層，經(jīng)過的路程短，它的能量損失少，這時(shí)用肉眼直視太陽會(huì)使人頭暈?zāi)垦?，是很危險(xiǎn)的。 課題三課題三 為什么為什么1980年遲

15、了一秒鐘年遲了一秒鐘 英國倫敦格林威治皇家天文臺(tái)曾于1979年12月27日宣布：1980年將遲到一秒鐘。為什么1979年的最后一分鐘持續(xù)六十一秒呢？ 這是由于地球自轉(zhuǎn)速度發(fā)生了小小的變化所造成的。 引起地球自轉(zhuǎn)速度變化的原因 當(dāng)?shù)厍蛭镔|(zhì)在重力作用下向地球內(nèi)部集中時(shí)，地球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小。根據(jù)動(dòng)量矩守恒定律，地球自轉(zhuǎn)加速，此時(shí)在重力控制下的離心力之水平分力推動(dòng)下的地殼運(yùn)動(dòng)發(fā)生了。由于地殼巖層水平扭錯(cuò)而產(chǎn)生摩擦，地球深部巖漿活動(dòng)以至噴出，這又導(dǎo)致了地球轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大，加上日月潮汐等天體作用的影響，地球自轉(zhuǎn)速度又逐漸慢下來。隨之，因重力的作用的結(jié)果，密度較大的物質(zhì)又逐漸向地球內(nèi)部集中，使地球質(zhì)量又趨于集

16、中，則又孕育著新的更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。這樣，地球自轉(zhuǎn)速度就發(fā)生了變化。地球自轉(zhuǎn)速度的變遷現(xiàn)代生長的珊瑚，每年留下365條生長線。在中泥盆紀(jì)時(shí)代（距今約三億五千萬年）的某種珊瑚，則顯示出一年內(nèi)有385410條生長線。在晚石炭紀(jì)時(shí)代（距今約三億年），卻顯示有380390條生長線。 如果地球繞太陽的軌道不變，它公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間則不可能有變化；那么，顯然在過去那些年代，地球自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快多了。 課題四課題四 潮汐產(chǎn)生的原因潮汐產(chǎn)生的原因 什么是潮汐 “大海之水，朝生為潮，夕生為汐?！?柏拉圖的解釋 地球和人一樣，也要呼吸，潮汐就是地球的呼吸。他猜想這是由于地下巖穴中的振動(dòng)造成的，就像人的心臟跳動(dòng)一樣。余道安

17、的解釋 余道安在海潮圖序一書中說：“潮之漲落，海非增減，蓋月之所臨，則之往從之?！?王充的解釋 漢代思想家王充在論衡中寫到：“濤之起也，隨月盛衰?！?經(jīng)典物理學(xué)對潮汐的解釋 到了17世紀(jì)80年代，英國科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律以后，提出了潮汐是由于月球和太陽對海水的吸引力引起的假設(shè)，從而科學(xué)地解釋了潮汐產(chǎn)生的原因。 海水隨著地球自轉(zhuǎn)也在旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的物體都受到離心力的作用，使它們有離開旋轉(zhuǎn)中心的傾向，這就好象旋轉(zhuǎn)張開的雨傘，雨傘上水珠將要被甩出去一樣。同時(shí)海水還受到月球、太陽和其它天體的吸引力，因?yàn)樵虑螂x地球最近，所以月球的吸引力較大。這樣海水在這兩個(gè)力的共同作用下形成了引潮力。由于地球、月球在不斷運(yùn)動(dòng)，地球、月球與太陽的相對位置在發(fā)生周期性變化，因此引潮力也在周期性變化，這就使潮汐現(xiàn)象周期性地發(fā)生。課題五課題五 人體與大氣壓人體與大氣壓 人體與大氣的關(guān)系呼吸調(diào)節(jié)體溫大氣的壓力人體為什么感覺不到大氣的壓力？ 一般認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓是每平方厘米1.0336公斤。一個(gè)成年人的人體總共要受到12-15噸的大氣壓力。 由于大氣壓強(qiáng)總是從各個(gè)不同的方向施加作用的，并且大小相同，每兩個(gè)大小相同的壓力便相互抵消，所以人體才感覺不到那么大的壓力，但它是客觀存在的。 大氣壓與呼吸過程的關(guān)系當(dāng)吸氣