大气微量气体 atmospheric trace gases

将臣

大气中含量很微小的气体组分，指除氮、氧和惰性气体以外的其他气体组分，它们的浓度大多低于 100微克/米^3。

　　对流层大气中，氧和氮是主要的气体组分，惰性气体氩-40、氖、氦-4、氪和氙也有相当的含量，这是大气长期演化过程的结果（见地球大气演化），它们在大气中存在的时间很长，存在时间最短的氦-4，至少也有一百万年，因此可以认为在相当长的时间内它们的含量是不变的。与之相反，大气微量气体如氮氧化物、碳氧化物、氯化物和硫化物等，都参与了周期相当短的化学循环，它们的滞留期从几十年到几天，甚至时间更短。已发现的大气微量气体有二十多种，其中浓度最小的是氡，它在空气中的混合比（按体积计算）为6×10-20。随着分析技术的发展，预期还会发现更多的微量气体。

　　大气是一个动态体系，微量气体通过与海洋、土壤和生物体系进行交换，构成了包括物理过程和化学过程在内的气体循环。由于大气自身的化学反应、生物活动、火山喷发、放射性蜕变和人类的工农业生产所产生的气体，也往往因大气中的化学反应、生物活动、物理过程（如微粒形成）和海洋的摄取或沉积而被除去。因此气体的循环不限于大气圈，它还涉及水圈、生物圈、岩石圈甚至地球的深层。这些天然的化学循环对人类活动所引起的扰动特别敏感，已日益受到重视。

　　碳循环 　对地球上的生命具有首要意义的气体循环是碳循环（图1）。海洋中二氧化碳的含量为大气的60倍，而地球上以石灰岩等沉积形式存在的二氧化碳的量，又是海洋和大气中总含量的600倍。大气中的二氧化碳，主要是一氧化碳氧化、煤和石油的燃烧和动物的呼吸以及水圈蒸发逸出等过程生成的。此外，有机物分解而释放的甲烷等，在大气中也会被氧化为二氧化碳。二氧化碳的主要消除过程是大气降水的冲刷、沉降和植物的吸收（光合作用）等。由热带海面逸出的二氧化碳进入大气层后，为南北极的海洋所吸收，在大气中的滞留期大约为5年，而生物圈的二氧化碳要完成一次循环则需要几十年。

　　硫循环 　大气中的硫主要以二氧化硫和硫化氢的形式存在。它们容易被雨水洗脱或者被氧化，所以浓度都比较低。大气中的二氧化硫来源于高硫燃料的燃烧，另外，厌氧菌在对有机物的腐烂过程中产生的硫化氢也能被氧化成二氧化硫。由二氧化硫氧化而生成的硫酸是特别有害的污染物。硫化物气体在大气中的消除过程主要是大气的沉降作用（包括降水或通过化学反应生成气溶胶粒子后沉降）。植物和土壤也会吸收一部分硫化物气体（图2）。

　　氮循环 　大气中含氮的微量气体主要有一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮和氨，其中尤以一氧化氮和二氧化氮为重要，它们不仅是对流层大气中的主要污染物，还能直接进入平流层参与生成臭氧的光化学反应。氮氧化物对平流层臭氧浓度的影响，已引起人们的关注，其机理尚无定论（见大气臭氧层）。大气中部分游离氮通过雷电的作用或在燃烧过程中转化成可溶性的氮氧化物，被降水输送到地面，为生物所利用，有机体分解后，它们又回到大气。最重要的天然途径是大气中的氮气被某些植物根部的细菌所固定，生成硝酸盐，又被动植物转化成蛋白质。动植物腐烂后，氮氧化物又被释放，进入大气。此外，人类施用氮肥也参与氮循环过程（图3）。

　　氯循环 　大气中氯的天然来源主要是地表氯化物气溶胶，它被酸化时释放出盐酸，后者易被雨水冲洗而减少，人类活动向大气释放的四氯化碳、氟利昂 （CCl3F、CCl2F2）和氯仿(CHCL3)等，也不断增加，它们不溶于水，故不受雨水冲洗，而容易向平流层扩散，滞留期可达数十年之久。在平流层中，它们可被光解而释放活化氯原子，影响臭氧的化学循环。研究表明，对这些碳氯化合物若不加以控制，将导致平流层臭氧浓度的减少（图4）。

唐孝炎