干洁大气ppt课件

第二章第二章 地球大气的成分及分布 迄今为止，地球大气是所发现的 天体大气中唯一以氮、氧为主，水可以 以气体、液体、固体三态出现的大气， 适合生命体生存的同时也存在各种天气现象 。 地球大气的演变简述如下： 地球在46亿年前形成，它形成时是没有大气 的。地球大气的演变可分为原始大气，次生大气 和现代大气三个阶段。 原始大气：（46亿年前） 由于太阳风和地球升温的作用， 原始大气是一些轻物质：H2，He、CO 次生大气：（4520亿年前） 由于地球逐渐冷却，造山运动、火山喷发和从 地幔中释放出地壳内原来吸附的气体形成次生大气 （CO2，CH4，NH3，H2O） 现代大气：（6亿年前） 以N2、O2为主 现代大气: 1ppmv=10-6L/L 1ppmm=10-6g/g 1pptv=10-9L/L 小知识：地球上的生命由来？ 原始和次生大气均没有O2。30亿年前O2很少， 或只有由水汽光解作用产生极少量的氧气。在无氧的 条件下产生的原始生命，既要躲避太阳辐射，又需光合 作用，因此最初的生命是在10米下的海洋表面，一些厌氧 生物产生O2。 亿年前，大气O2浓度达到现在的百分之一，（生物史 上第一关键浓度），高空臭氧层增加，削弱了紫外线，生命 到达水面。 亿年前，大气O2浓度达到现在的十分之一，促使植物茂盛生 长，O2更多，生命由海洋到陆地。同时动植物的呼吸和死亡又会 消耗O2产生CO2 ，在这个演变过程中逐渐达到了一种平衡。 CO2从亿年前的3000ppm下降到280ppm，生物也从海洋到 陆地，从低级到高级不断发展繁衍下去。 2.1 大气成分的组成和分类 2.1.1 大气成分的组成： 大气是由多种气体组成的混合气体， 包括N2、O2、Ar、CO2、CH4、O3、H2 水汽、大气气溶胶。 即大气是由干洁大气、水汽和大气气溶胶组成 。 由于大气中存在着空气的垂直运动、水平 运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不同 地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面 开始向上直到90km处，空气主要成分（除水汽臭氧 和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。 因此，在90km以下可以把干洁空气当成 分子量为28.97的“单一成分”来处理。 2.1.2 大气成分的分类 2.1.2.1 按浓度分类： 主要成分： N2、O2、Ar、CO2 （300ppmv) 微量成分： CH4等（1-20ppmv) 痕量成分： O3、H2、氮氧化合物、 硫化物及氟氯化烃（1000年） N2、O2、Ar 、Ne、He、Kr 、Xe等 可变成分： （几十几年) CO2、H2、CH4、N2O、CO、O3、NH3、NO2、 SO2、H2S水汽、大气气溶胶 快变成分：（1年） 碳、硫、氮的化合物 2.2 干洁大气 干洁大气的定义： 通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余 大气称为干洁大气，简称干空气。 包括： 碳的化合物(CO2、CH4以及氟氯烃化合物) O3 硫的化合物 (SO2、H2S及硫酸盐类) 氮的化合物(NO、NO2、N2O3、N2O5及NH3、N2O)等。 下面介绍对气象影响较大的干洁大气 CO2和O3 ： 2.2.1 CO2： CO2的分子结构： （CO2仅占大气成分总质量的0.05%） 一、来源： 人工源：地面燃烧、工业活动、生物体的呼吸和 生物尸体腐化都排出CO2。 呼吸作用：CH2On+nO2=nCO2+nH2O (包括动植物的呼吸，但白天植物的光合作用可使CO2还原 ） 自然源：CO2分压大于大气CO2分压的海水。 （如热带和低纬地区的海洋是大气中的CO2的源，放出海洋 中的CO2） 人工汇：植物的光合作用减少CO2 光合作用：nCO2+nH2O=CH2On+nO2 自然汇：CO2分压小于大气 CO2分压的海水。 （如高寒冷地区的海洋是大气中的CO2的汇，吸收大气中 的CO2） 全球平均，是大气向海洋输送CO2。 深海的水流能把海水中的部分CO2从高纬 流向低纬，部分CO2还变成碳酸盐矿物（贝壳 ） 沉到大海。因此，CO2是在地壳、大气层、 海洋和生物圈之间循环的。 二、作用： （温室效应） CO2吸收太阳辐射很少，却能强烈地吸收地 面长波辐射，使地面和空气不致于因放射辐射而 失热过多。因此它们都有使空气和地面增温的效应 。 这样一来，当浓度不断增加会改变大气的热量平衡，导 致大气底层和地面的平均温度上升，而全球气候的变化将直接 影响人类的生存环境。 CO2增多引起的温室效应，使两极冰川融化，致使海平面 升高，危及沿海城市，使海岸地区土地盐碱化，增加开发难度， 温度升高还使一些山顶的积雪融化，使以积雪融化为水资源的 河流水量减少，甚至发生断流现象，影响这些地区的生产活动。 三、 CO2的含量变化： 主要原因： 由煤、石油、天然气、化学燃料等燃烧引起； 次要原因： 火山爆发及碳酸盐矿物、浅地层里释放CO2 ， 原子武器试验把放射性碳带进大气等。 随着19世纪初工业的发展及世界人口的增长，全球 大气中的CO2含量在逐年增加。 p10图2.1为过去一千年来CO2的含量变化曲线 2.2.2 臭氧 虽然臭氧在大气中所占的比例极小（仅占大气 成分总体积比的0.001-0.1ppmv)，但因它对太阳紫外 辐射（0.20.29m的波长）有强烈的吸收作用， 所以臭氧是大气中最重要的微量成份之一。 1995.9.16联合国大会作出决定，把每年的9.16作为 国际保护臭氧层日。 一、臭氧的作用： 1、臭氧层阻挡强紫外辐射到达地面,是地面上 生命的保护伞。 强紫外辐射有足够的能量使包括DNA在内的重要生物分子 分解，增高患皮肤癌、白内障和免疫缺损症的发生率，并能 危害农作物和水生生态系统。少量的紫外线对地面上的生命有 杀菌作用，对人类生存起保护作用。 2、臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使平流层 大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着 决定性的作用。 如果平流层的臭氧浓度下降，将引起平流层上部的温度 下降，平流层下部和对流层的温度上升。 因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气的辐射 平衡起重要作用。臭氧层吸收了部分太阳辐射能，估计使地面 的平均温度降低12oC。 二、臭氧的产生： 氧气在太阳紫外辐射作用下发生光致离解， 光致离解产生的氧原子是大气臭氧的主源。 O2+hO+O O+O2+MO3+M O+O+MO2+M M为第三种分子（如N2），作用是维持反应过程的动量和 能量守恒；太阳紫外辐射主要指波长短于0.24m的紫外辐射， h为普朗克常数，为频率。 三、臭氧的消失： 1、自然因素 臭氧三原子结构不稳定，太阳紫外线甚至 可见光、红外线都能分解O3。 O3+h O2+O O3+O2 O2 可见， 影响O3生成的两大自然因素： 太阳紫外线、O2的含量。 2、人为因素： 氟氯化碳化合物CFCS由氯、氟、碳原子组成， 这是一类大气中根本不存在的有机化合物。 如氟里昂-11（CFCl）、氟里昂-12（CFCl），由于 性质非常稳定无毒，被人们作为制冷剂、喷雾发射剂和发泡剂、 电子元件清洗剂长期使用，在对流层中浓度逐年积累，能做 长距离输送并向上进入平流层。 CFCS在平流层能光化学分解成Cl,起到 破坏臭氧层的作用，同时还是温室气体，在 地气系统辐射收支中的作用不容忽视。 其中，氟氯烃化合物减少臭氧O3的反应： 当CFCS在平流层被光化学分解成Cl， Cl+O3 ClO+O2 ClO+O Cl+O2 O3+OO2 ClO和Cl未减少，只起催化作用。 四、臭氧的空间分布： 1、垂直分布： 测量臭氧垂直分布的方法很多，可在地面或 卫星上遥测，也可用气球或火箭直接收集资料。 在近地面层臭氧含量很少， 从10km高度开始逐渐增加， 在12-15km 以上含量增加 得特别显著， 在20-30km 高度处达到 最大值。 再往上则逐渐 减少，到55km 高度上就极少了。 why? 造成这一现象的原因： 由于在大气的上层中，太阳短波的强度很大，使得 氧分子解离增多，因此氧原子和氧分子相遇的机会很少， 即使臭氧在此处形成，由于它吸收一定波长的紫外线，又 引起自身的分解，因此在大气上层臭氧的含量不多。 在2030km高度这一层中，既有足够的氧分子，又有足够 的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜条件，故这一层又称 臭氧层。 2、水平分布： 把垂直大气柱内 所有的臭氧压缩到 标准条件下的等效 厚度表示总臭氧含量。 单位是多普森DU, 即1DU=10-3大气厘米 见图 北半球，大部分地区臭氧层的厚度春季 变大，秋季变小。高纬的季节更明显，最大 臭氧带靠近极地。 南半球，各纬度的季节变化比较小。最大 臭氧带在春季的中高纬地区。 若按光化学平衡理论，臭氧气柱的极大值 应出现在太阳辐射强烈的夏季赤道区域，但 由于极向环流的影响，实际观测并非如此。见图 ： 臭氧最大浓度在北极和南极的60左右 。 臭氧总量不仅和光化学反应有关，还和 大气运动有关。臭氧主要在赤道生成，通过大气 环流向高纬输送，这种极向环流冬春季最大,并在 极地变成下沉气流，形成臭氧高浓度层。 影响臭氧浓度的因素： 大气高层以光化学作用为主， 低层大气以动力输送为主， 所以低层大气的臭氧含量和天气系统发生了联系。 近几十年根据卫星观测资料发现，全球 臭氧浓度及气柱总量有缓慢下降的趋势。 全球臭氧总量变化范围200450DU,平均 300DU,而南极春季少至100DU！Why? 五、臭氧洞： 1985年，英国南极站有惊人的发现： 南极上空春季的臭氧总量减少了40%以上 臭氧洞！ 臭氧洞的含义： 臭氧总量在60oS附近地区的环极涡旋形成低值区； 从时间序列上在910月臭氧总量突然大幅下降 形成低谷。 对臭氧洞成因的研究，目前主要在两个方面： 1、大气动力原因： 南极冬季环极涡旋作用 2、大气化学原因： 氟氯烃等化合物的破坏作用 南极臭氧洞的成因很复杂至今仍未完全清楚！ 1995年，中科院周秀骥等根据卫星资料，在青藏高 原夏秋季节又发现一臭氧低值区！ 思考题： 1、大气由哪些成分组成？ 2、什么是干洁大气？主要成分、微量 成分、痕量成分有哪些？ 3、对气象影响较大的干洁大气有哪些？ 综述