大气和温室气体的扩散

Question

我到处都在研究。二氧化碳和其他温室气体发生在大气的什么水平?我不能得到一个直接的答案，我很沮丧……

Answer 1

简单的答案是温室气体存在于大气的各个层面．然而，浓度会随着海拔的不同而变化。至于二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等始终处于气态的温室气体，它们均匀地分布在整个低层大气(即对流层和~20km以下的平流层)，(这个问题和答案解释原因)，只有微小的浓度变化。唯一值得注意的例外是水蒸气，也是一种强大的温室气体，水是唯一一种在大气中在液体、固体和气体状态之间转换的物质，这导致它的分布不像其他气体那样均匀。

水蒸气的实际分布是非常可变的，这是我们从干燥天气、雾、雨等各种情况的日常经验中都知道的。然而，有一些明确的模式:

从纵向上看，水汽丰度以对数形式或多或少地下降，如下图所示:

(来自AGU水汽在气候系统，特别报告。1995年12月）

在海拔15,000米的地方，从每公斤干空气约3克下降到每公斤干空气约0.003克。例如，这与对流层中二氧化碳的变化形成了很大的对比，整个手套的二氧化碳变化在~3-6%之间，而在~1-2%之间季节循环．

从水平上看，在地球表面，热带地区的水比两极要丰富得多，这种模式主要是由温度控制的，因为空气容纳溶解水的能力随着温度呈指数级下降(正如我回答的第一个方程所描述的那样)这个问题)．下图是2009年卫星数据绘制的全球平均水柱图，可以让你对典型的分布有一个很好的了解(来自gme -1、SCIAMACHY和gme -2总可降水量的反演）

现在，如果我们考虑更高的大气水平(>20公里)，在这个尺度上的混合不足以消除由于每种温室气体的源和汇的存在而产生的浓度变化。例如，甲烷在地表是由自然和人为来源产生的，最大的碳汇(90%)是平流层中羟基自由基(OH)的氧化作用。这在甲烷浓度中产生了相当大的垂直梯度。这种梯度在对流层中由于强烈的混合而变得平滑，但在平流层和中间层中变得非常重要。类似的现象造成了其他温室气体的梯度，如N2O，臭氧，以及较小程度上的二氧化碳。中很好地解释了这些过程这篇论文，下面的图概括了大气中大多数气体浓度的变化:

在这里你可以看到，在120公里的范围内，二氧化碳在大气中保持相对固定的丰度，而在60公里以上的区域，N2O相对非常稀缺，在10公里以下的区域，臭氧则非常稀缺。