大气物理第一章.ppt

ch1大气概貌 1 1地球大气的演化1 2现代大气的组成1 3空气状态方程1 4物理量的垂直分布 thethreeatmospheresofearth firstatmosphere composedofgasesfromthegeneratingnebulaprincipallyh2 hesecondatmosphere firstatmosphereminusgases boiledaway tospaceplusgasesemittedfromvolcanoesplusgasesarrivingfromcometsetc modernatmosphere resultingfromtheeffectsoflifeandtheadditionofoxygen settingthecompositionofthe2ndatmosphere volcanoes gaseswereexpelledfromtheinterior sameastoday co2 10 coso2h2s afewpercent cl2n2 afewpercent h2o 85 h2nh3ch4 nooxygen 1 1地球大气的演化 地球形成初期的原始大气是以宇宙中最丰富的轻物质h2 he为主 火山喷发形成次生大气 主要由水汽 co2 氮和硫或硫化物 没有氧气 大量水汽造成长时间降雨 持续了几千年 推测 形成原始海洋 生命就在原始海洋的汤液中形成 1 原始大气 后来原始大气逐渐逃逸 估计在45亿年前或晚些时候 地球上无大气 2 次生大气 生命的光合作用使大气圈中出现了氧气 3 氧化大气 从火山喷发出来的氮 由于其化学惰性及其在水中的低溶解度 大部分仍留在大气中 成为现代大气中的主要气体成分 大气中的氩 是地球固体部分放射性物质40k衰变时的副产品 ch1大气概貌 1 1地球大气的演化1 2现代大气的组成1 3空气状态方程1 4物理量的垂直分布 1 2现代大气组成 地球大气是由多种气体以及漂浮于其中的固态 液态等颗粒物质 大气气溶胶粒子 组成的 相变特征 在地球大气温 压条件下 水汽是唯一能发生相变的气体成分 水汽的相变不但造成云雾降水 而且在地球的生态系统中起着重要作用 1 干洁大气 不含水汽和悬浮颗粒物的大气称为干洁大气 有关概念 2 浓度 表示浓度有绝对量和相对量 绝对量如体积质量mg m3 g m3等 相对量如ppm 10 6 ppb 10 9 和ppt 10 12 等 可分别加尾缀m或v表示质量和体积 例如ppmm和ppmv 3 平均停留时间 即该种成分的所有分子更新一次所需要的时间 亦即 平均寿命 在准平衡条件下 一种大气成分的分子在大气中的平均滞留时间定义为其中m为这种成分的总质量 f是向大气的输入速率 包括源和化学转化 r是消失速率 因沉降 化学转化和逃逸 一 干洁大气的组成 这里主要关注100km以下的均匀混合层 特别是对流层内空气的成分 1 按浓度 单位为体积混合比 来分 分为 主要气体 浓度 300ppmv 包括n2 o2 ar co2 微量气体 1ppmv 20ppmv 如ch4等 痕量气体 1ppmv 重要的有o3 h2 氮氧化物 硫化物等 大气的组成饼图 2 按平均停留时间来分 即该种成分的所有分子更新一次所需要的时间 亦即 平均寿命 分为 准定常成分 平均寿命大于1000年 主要包括n2 o2 惰性气体 可变成分 平均寿命为几年到十几年 例如 co2 o3 ch4等 短寿命成分 平均寿命短于1年 例如 碳 硫 氮的化合物 二 大气中的水汽 在天气 气候 地球水循环中起重要作用 这些作用取决于大气湿度 1 大气湿度定义 表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量 2 相对于纯水 冰 平面的饱和水汽压 由水汽和平面纯水 或纯冰 组成的系统 在某温度下达到两相平衡时 水汽所具有的分压强称为相对于纯水 冰 平面的饱和水汽压 仅是温度的函数 随温度升高而增大在同一温度下 es t esi t 见下页表格及图 饱和水汽压计算公式 后面 3 湿空气的饱和水汽压 严格地说 不等于纯水汽的饱和水汽压 但由于二者的差别不大 所以在研究大气时 常忽略二者的差异 用纯水汽的饱和水汽压代替湿空气的饱和水汽压 见22页第二自然段 对平液面 49 9 100 范围内 对平冰面 100 0 0 范围内 以上两式中t是热力学温度 k t00 273 16k是水的三相点温度 2 2 10 式中t是摄氏温度 a和b是常数 tetens经验公式 1 水汽混合比r 单位 kg kg或g kg 4 湿度参量 有很多个 相对于纯水 冰 平面的饱和混合比rs rsi 3 绝对湿度 水汽密度 单位 kg m3或g m3 v为湿空气体积 2 比湿q q于r的关系 单位 kg kg或g kg qs qsi 4 水汽压e 湿空气中水汽的分压强 单位为hpa 湿空气在水汽含量不变的情况下 等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度 称为露点 等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点 6 露点td 霜点tf 见下页图 5 相对湿度uw ui 5 湿度参量小节 见下页 注意 涉及到水汽饱和时若不加以特别说明 通常指相对于纯水平面饱和 a b 6 湿度参量间的关系 c d e 实际大气中可认为 思考题1 某气块等压降温时 下列湿度参量中随之增大的是 a 露点温度 b 相对湿度 c 混合比2 两块气团的相对湿度分别为36 和78 其中含有较多水汽的是 a 相对湿度为36 的气团 b 相对湿度为78 的气团 c 条件不足 无法确定 3 如果我们向一个密闭盒子里增加水汽分子 而温度保持不变 那么下列哪些物理量会增加 a 相对湿度b 水汽压c 露点d 以上所有物理量e 以上物理量中没有增加的 三 大气气溶胶 1 气溶胶与气溶胶质粒定义指在气体中悬浮有液体或固体微粒时的气体和悬浮物的总体系 其中的悬浮物就称为气溶胶质粒 颗粒 粒子 大气中含有悬浮着的各种固体和液体粒子 例如尘埃 烟粒 微生物 植物的孢子和花粉 以及由水和冰组成的云雾滴 冰晶和雨雪等粒子 所以可以把大气看成是一种气溶胶 大气气溶胶质粒的直径范围 10 3 m到100 m注意 我们有时常用气溶胶作为悬浮质粒的同义词 而且习惯上不包括水汽凝结体 指云 雨滴和冰粒 2 气溶胶粒子分类 按大小分为三类 爱根核 半径在0 01到0 1微米之间 起凝结核作用明显 其中具有吸湿性的尘粒只要过饱和度达0 5 到2 0 就可使水汽凝为液水 大核 半径在0 1到1微米之间 一般只要过饱和度不到0 5 就可使水汽凝结 如果这些核是吸湿性的 那末即使大气尚未达水汽饱和 液水也能凝结于其上 巨核 半径大于1微米 它们在吸收大气中的水汽 使之转化为液水方面 有很大作用 按核化方式可分为 凝结核 能使空中水汽依附而成为液态水滴的微粒 实际大气中能凝结长大为云滴的凝结核称为云凝结核ccn 凝华核 指能使空中水汽依附而成为冰晶的微粒 冻结核 指能使空中过冷却水滴冻结的微粒 冻结核可分为两种 a 浸润冻结核 b 接触冻结核 冰核 凝华核 冻结核都称为冰核 成冰核 混合核 兼起两种核化作用的核 3 大气气溶胶的来源 据估计 全球气溶胶质粒主要是自然界产生的 人工来源仅为自然来源的五分之一 自然源按产生量大小主要包括 海盐 气粒转换 风砂扬尘 林火烟粒 火山喷发 变化很大 陨星余烬 植物花粉等 人为源主要有 气粒转换 工业过程 燃料燃烧 固废处理 交通运输 核弹爆炸 人工播云等 大多数气溶胶质粒是由海水飞沫中的盐和气粒转换所造成的 气粒转换 是指大气中通过气体之间或气体与液滴 或固粒之间的相互作用 形成新的大气悬浮物的过程 由气粒转换产生的次生质粒占大气气溶胶总质量的25 左右 海盐核的形成过程空中盐核主要是洋面气泡破裂所造成的 a 海水中气泡上升 并发生膨胀 b 气泡上升到水面 其上部凸出水面形成一个泡膜 泡膜就不断因膨胀而变薄 破裂成许多水屑 c 水屑飞散于水面以上蒸发 所含盐分成为空中盐核 d 水面凹陷处汇聚的水流造成水柱上升破裂成水珠 水珠下沉回海面可携带部分空气形成水中新的气泡 saharaduststormblownoffoverwestafricatotheatlantic 3 大气气溶胶的来源 4大气气溶胶移除过程 干移出过程 指质粒在干的状况下移出大气的过程 包括重力下沉 碰并附粘 扩散附粘 吸并附粘湿移出过程 指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程 包括扫并下沉 扩并下沉 拖并下沉和凝长下沉 前三种过程的共同点是 气溶胶粒子碰并到降水质粒上 然后由降水质粒带出大气 云雾降水物理学中 湿移出过程是主要研究对象 拖并下沉 即悬浮微粒受介质气体分子有规则流动的影响而被拖并到降水物上并下沉到地面在凝结或蒸发时 有水汽梯度存在 它能产生水汽扩泳现象 使水汽分子在扩散过程中出现了向低水汽密度方向的净扩散运动 当空气中有两处温度高低不同时 高温处空气分子热扩散能力 动能 大于低温处 于是空气就有了向低温方向净热扩散的运动 形成了热力扩泳现象云滴在蒸发时 水汽扩泳使净水汽分子流背离云滴运动 但蒸发造成冷却 却能通过热扩泳而造成净空气分子流向着云滴运动 反之当云滴在凝结时亦有相反扩泳过程 可见当云滴在进行相变时 水汽分子流的方向常与空气分子流的方向是相反的 4大气气溶胶移除过程 5 大气气溶胶粒子在大气过程中的作用 1 在云雾降水中的作用 可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核心 即部分大气气溶胶粒子可作为ccn cloudcondensationnuclei 或in icenuclei 2 对大气辐射过程的影响 吸收和散射太阳辐射 长波辐射 影响地球能量平衡 3 对大气光学特性的影响 对太阳光的散射和吸收 会影响大气能见度 还会影响天空颜色 一些光学现象的出现 也与它们的作用有关 4 对大气电学特性的影响气溶胶粒子捕获小离子而成为大离子 由于大离子迁移率小 故大气电场中的传导电流减小 5 在大气化学过程中的作用 作为媒介 载体和 或 终极产物 气溶胶在大气化学和大气污染过程中也起着重要作用 很多大气气溶胶粒子可以认为由气态物质转化而产生 空气中悬浮的粒子也可以通过化学反应而转化成新的组成粒子 ch1大气概貌 1 1地球大气的演化1 2现代大气的组成1 3空气状态方程1 4物理量的垂直分布 1 3空气状态方程一 理想气体状态方程 2 地球上自然状态下的空气可看作理想气体 二 干空气状态方程 1 方程推导 已知干空气质量为md 体积为v 温度为t 气压为pd 把它看成是均匀混合的单一成分 摩尔质量为md 利用理想气体状态方程 可得干空气状态方程为 其中 100km以下 令 rd称为干空气比气体常数 干空气状态方程可表示为 气象上常用这种形式 2 比气体常数 一般地 对于空气中的任何一种成分 包括湿空气都可写出与干空气类似的状态方程 例如 湿空气的 三 湿空气状态方程的其他形式 1 方程推导 所以 湿空气状态方程也可以表示为 若定义虚温 则湿空气状态方程也可表示为 虚温订正量为 是关于温度 水汽压和压强的函数 为了能在湿空气状态方程中使用 并且使其与干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的参量 定义式为 小结 湿空气状态方程的三种形式 ch1大气概貌 1 1地球大气的演化1 2现代大气的组成1 3空气状态方程1 4物理量的垂直分布 1 4气压 密度 温度的垂直分布 其中 h为标高 大约为7 8km 密度随高度分布也服从随指数减小规律 verticalprofilesofpressure densityandmeanfreepath 温度的垂直结构 按温度随高度的变化分为对流层 平流层 中层 热层 外层 1 对流层 12km以下 在赤道地区对流层顶的高度约18千米 中纬度地区约12千米 极地地区约8千米 夏季的对流层厚度大于冬季 以南京为例 夏季的对流层厚度达17公里 而冬季只有11公里 冬夏厚度之差达6公里之多 特点 1 温度随高度的增加而降低 气温递减率平均为 6 5 km 定义气温递减率 每升高单位高度气温降低的度数 2 对流层中的垂直运动显著 3 集中了80 的大气质量和几乎全部水汽 4 云雾降水均发生在此层 5 受地表影响最强烈 空气属性的水平分布很不均匀 2 平流层 12km 50km 1 25km以下温度递减率接近零 25km以上温度随高度明显增加 2 平流层气流运动主要以水平运动为主 3 水汽极少 颗粒物极少 能见度极好 4 大气污染物进入平流层后能长期存在 3 中层 85km 1 层内温度随高度增加而下降 2 空气的垂直对流运动强 故又称之为高空对流层或上对流层 4 热层 500km 1 温度随高度增加而上升 2 高度电离 5 外层 大气上界 2 大气成分可以散逸到星际空间 1 随高度升高气温增加不显著 ch1大气概貌 1 1地球大气的演化1 2现代大气的组成1 3空气状态方程1 4物理量的垂直分布 练习 1 干洁大气中 某种气体的体积混合比是否等于这种气体所占总摩尔数份数 为什么 2 证明 用状态方程和道尔顿分压定律两种途径去证明r和e关系式 以及q和e关系式3 解释臭氧层正好出现在不高不低的平流层4 大气垂直分层如何 各层大气温度