第二章地球大气new

第二章第二章地球大气地球大气本本 章章 内内 容容大气的组成大气的组成大气的铅直结构大气的铅直结构大气的大气的 物理性质物理性质第一节第一节 大气的组成大气的组成干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）水汽水汽悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质一、干洁大气一、干洁大气地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成 :干洁大气的定义及其成分变化：干洁大气的定义及其成分变化：定义：定义：除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。外的整个混合气体。成分变化：成分变化：090km， 主要成分和含量比例基本保持不变主要成分和含量比例基本保持不变。 90km以上，以上， 氮稍有减少氮稍有减少 ,氧稍有增多氧稍有增多 ,氩和二氧化碳氩和二氧化碳明显减少明显减少 ,其中氧分子和氮分子开始离解其中氧分子和氮分子开始离解 。各种成分介绍：各种成分介绍：各成分总体状况：各成分总体状况：表表 2-1 干洁大气的成分（高度干洁大气的成分（高度 25km以下）以下）气体成分气体成分 所占体积（所占体积（ %） 临界温度（临界温度（ ） 临界压强（大气压临界压强（大气压）氮氮 78.08 -147.2 33.5氧氧 20.95 -118.9 40.7氩氩 0.93 -122.0 48.0二氧化碳二氧化碳 0.032 31.0 73.0臭氧臭氧 0.00006 -5.0 92.3干洁大气干洁大气 100 -140.7 37.2氮气氮气 （ N2） ：存在方式：存在方式： 以蛋白质的形式存在于有机体中。以蛋白质的形式存在于有机体中。 作用：作用： 是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料基本原料 。自然条件下 ,氮气只能通过闪电雷暴作成形成 ,通过降水过程被植物和土壤吸收利用。氧气氧气 （ O2） ：作用：作用： 是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体； 积极参与大气中的许多化学过程；积极参与大气中的许多化学过程； 对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。 臭氧臭氧 （ O3） ：时空变化：时空变化： 时间变化：时间变化： 最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。 空间变化：空间变化：水平：水平： 由赤道向两极增加。由赤道向两极增加。垂直：垂直：55 60km，含量极少。，含量极少。20 25km，达最大值，形成臭氧层；，达最大值，形成臭氧层；12 15km以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著；从从 10km向上，逐渐增加；向上，逐渐增加；近地面，含量很少；近地面，含量很少； 这幅地图显示的是这幅地图显示的是臭氧空洞。臭氧空洞。 1986年，南年，南极的臭氧量仅是极的臭氧量仅是 30年前年前的一半。的一半。1988年，探测发现年，探测发现北半球上空臭氧层已比北半球上空臭氧层已比20年前要薄百分之三。年前要薄百分之三。这种变化足以使皮肤癌这种变化足以使皮肤癌的病例大幅增加。的病例大幅增加。作用：作用： 对紫外线有着极其重要的调控作用。对紫外线有着极其重要的调控作用。 对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。二氧化碳二氧化碳 （ CO2） ：来源：来源：生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等。和分解、火山喷发作用等。时空变化：时空变化： 时间变化：时间变化：a) 白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于黑夜、阴天、冬季。黑夜、阴天、冬季。b) 工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。 空间变化：空间变化：水平：水平： 城市大于农村；城市大于农村；垂直：垂直：0 20km，含量最高；，含量最高；20km以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。作用：作用： 绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。 强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使地面保持较高的温度，产生地面保持较高的温度，产生 “温室效应温室效应 ”。温室效应模式图温室效应模式图二、水汽二、水汽来源：来源：主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。植物表面的蒸腾。时间：时间： 夏季多于冬季夏季多于冬季空间：空间： 一般低纬多于高纬，下层多于上层。一般低纬多于高纬，下层多于上层。 时空变化：时空变化：作用：作用：在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，出长波辐射， 对大气起着对大气起着 “温室效应温室效应 ”。大气中悬浮着的各种大气中悬浮着的各种 固体和液体微粒固体和液体微粒 （包括气溶胶粒子和（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。大气污染物质两大部分）。 二、大气中的杂质二、大气中的杂质气溶胶粒子气溶胶粒子 ：定义：定义：分类：分类： 液体质粒、固体质粒液体质粒、固体质粒固体质粒的来源固体质粒的来源： 有机质数量较少，大多为有机质数量较少，大多为 植物花粉、微生物和细菌植物花粉、微生物和细菌 等等；大气中沉降速率极小、尺度在大气中沉降速率极小、尺度在 10-4m 到到 100m 之间之间的固态和液态微粒。的固态和液态微粒。无机质数量较多，无机质数量较多， 主要来源于：主要来源于： 尘粒、烟粒、海洋中浪尘粒、烟粒、海洋中浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃 等。等。作用：作用：吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；面的太阳辐射；缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；失去的热量；降低大气透明度，影响大气能见度；降低大气透明度，影响大气能见度；充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。 大气中的污染物质大气中的污染物质 ：定义：定义：由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。的大气成分发生对生物界有害的变化。分布：分布：空间上空间上垂直：主要集中在垂直：主要集中在 3km以下的低层大气中；以下的低层大气中；水平：水平： 城市多，农村少；陆地多，海洋少。城市多，农村少；陆地多，海洋少。时间上：时间上： 冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。 火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。来源：来源：自然过程形成。自然过程形成。人为过程造成。人为过程造成。工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。二次污染物：二次污染物：分类：分类：一次污染物：一次污染物：直接从污染源排出来的物质。直接从污染源排出来的物质。进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。化学反应而产生的新的污染物。大大气气污污染染的的危危害害第二节第二节 大气的铅直结构大气的铅直结构一一、大大气气的的铅铅直直分分层层对流层对流层平流层平流层中间层中间层热成层热成层散逸层散逸层电离层电离层对流层：对流层：厚度变化厚度变化空间：随纬度增加，厚度降低。空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为低纬地区：平均厚度为 17 18km；中纬地区：平均为中纬地区：平均为 10 12km；高纬地区：平均为高纬地区：平均为 8 9km；时间：夏季大于冬季。时间：夏季大于冬季。特点：特点：主要天气现象均发生在此层。主要天气现象均发生在此层。温度随高度升高而降低。温度随高度升高而降低。 （ 平均高度每升高平均高度每升高 100m，气温下降气温下降 0.65 。）。） 空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。气象要素的水平分布不均匀。气象要素的水平分布不均匀。分层：分层：下层、中层、上层、对流层顶。下层、中层、上层、对流层顶。下层（摩擦层或行星边界层）：下层（摩擦层或行星边界层）： 0-2km 摩擦作用、对流运动和乱流运动最强烈；摩擦作用、对流运动和乱流运动最强烈； 在接近地面约在接近地面约 30 50m高度以下的气层称为近地气高度以下的气层称为近地气层，常有雾形成。层，常有雾形成。中层：中层： 2-6km 空气运动以对流为主；空气运动以对流为主； 有中云和直展云出现，由云滴增大成雨滴的过程有中云和直展云出现，由云滴增大成雨滴的过程多在此层进行，因而是形成降水的重要气层。多在此层进行，因而是形成降水的重要气层。上层：上层： 6km至对流层顶至对流层顶 受地面影响更小，气温常在受地面影响更小，气温常在 0 以下，水汽含量少以下，水汽含量少，各种云均由冰晶或过冷却水滴组成。飞机飞行在此各种云均由冰晶或过冷却水滴组成。飞机飞行在此气层常出现结冰现象。气层常出现结冰现象。 在中、低纬度地带，常出现风速等于或大于在中、低纬度地带，常出现风速等于或大于 30ms-1的强风带，即所谓的强风带，即所谓 高空急流。高空急流。对流层顶：对流层顶： 对流层与平流层之间对流层与平流层之间 1-2km的过渡层的过渡层 气温随高度变化很小，甚至成为等温状态。气温随高度变化很小，甚至成为等温状态。 由低层上升而至的水汽和尘埃等多聚集在这里，使由低层上升而至的水汽和尘埃等多聚集在这里，使能见度恶化。能见度恶化。平流层：平流层： 对流层顶对流层顶 55km 25km以下，气温保持不变；以下，气温保持不变； 25km以上，气温随高度增加以上，气温随高度增加而显著升高。而显著升高。空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。 水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流比较平稳，适宜于飞机航行。比较平稳，适宜于飞机航行。中间层：中间层： 平流层顶平流层顶 85km 气温随高度增加迅速下降，顶部气温可降至气温随高度增加迅速下降，顶部气温可降至 -83 以下。以下。 空气有强烈的垂直运动，故又称之为空气有强烈的垂直运动，故又称之为 “高空对流层高空对流层 ”。 热成层热成层 (热层、暖层、电离层热层、暖层、电离层 )： 中间层顶中间层顶 800km 气温随高度增加迅速上升。气温随高度增加迅速上升。 空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生电离现象。电离现象。散逸层：散逸层：这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是大气圈与星际空间的过渡地带。大气圈与星际空间的过渡地带。二、大气上界二、大气上界根据大气中根据大气中 极光出现的最大高度极光出现的最大高度 ，大气上界的高度为，大气上界的高度为1,000 1,200km。另一种是另一种是 以大气密度接近星际气体密度的高度以大气密度接近星际气体密度的高度 作为标准作为标准，大气上界约在，大气上界约在 2,000 3,000km高度处。高度处。 第三节第三节 大气的物理性质大气的物理性质一、大气的质量一、大气的质量假定大气是均质的，以气温假定大气是均质的，以气温 0 时、时、 45N （或（或45S ）处、海平面上的大气密度）处、海平面上的大气密度 0为标准（为标准（ 0 =1.293kg.m-3），则此时大气厚度（），则此时大气厚度（ Z0）经理论计算约）经理论计算约为为 8,000m。于是。于是 单位截面积单位截面积 的大气柱中空气的质量为的大气柱中空气的质量为：m0= 0Zo=1.2938000=10344kg.m -2假定条件下的大气质量：假定条件下的大气质量：据此推算，地球表面大气的总质量大约有据此推算，地球表面大气的总质量大约有 510 15t。 z为为 Z高度处的大气密度；高度处的大气密度； 0为标准状态下的大气密度；为标准状态下的大气密度；Z0为均质大气的高度，为均质大气的高度， Z为对应于要计算为对应于要计算 z的高度的高度。 大气密度的计算公式：大气密度的计算公式：（ 2-1） 二、气象要素二、气象要素定义：定义：表示大气状态和特征的物理量和物理现象。表示大气状态和特征的物理量和物理现象。内容：内容：日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸发、能见度发、能见度 和和 天气现象天气现象 等。等。天气现象：天气现象：在大气中或地面上产生的在大气中或地面