第一部分大气的组成及热力状况课件

1、第一部分大气的组成和垂直分层大气的组成和垂直分层一、 大气的组成（一）干洁空气：大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体，称为干洁空气。 其中，氮和氧容积占99.04，加上氩，三者合占99.97，其他气体仅占0.03%。干洁空气中大多数气体的临界温度低于自然情况下大气中可能出现的最低温度，CO2 的临界温度虽然不高（每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强，气态物质不会液化，这个温度就是临界温度。 CO2 的临界温度31.1 ） ，但它所对应的压力却大大超过其实际分压力。因此，干洁空气中的所有成分都呈气体状态。（二）水汽 水汽主要来源于海洋、江河湖泊和土壤，以及潮湿物体表面

2、的蒸发和植物的蒸腾。大气中的水汽含量极不固定，随时间、地点、条件而不同。其所占容积变化范围为04。观测结果表明，在1.52km 高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km 高度，只相当于地面的1/10，再往上更少。 水汽含量虽然不多，但它在大气温度变化范围内可以发生汽态、液态和固态三相转化，人们常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都是水汽相变的表现。此外，水汽还善于吸收和放射长波辐射，显著影响大气和地表的温度。（三）固体杂质 悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒等，它们的半径一般为10-210-8cm，多集中于低层大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧；尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地

3、表松散微粒，以及火山爆发后产生的火山灰、流星燃烧的灰烬；盐粒则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的，固体杂质的含量陆地上空多于海洋上空，城市多于乡村，冬季多于夏季，白天多于夜晚，愈近地面愈多。 固体杂质是大气中水汽凝结的必要条件；能吸收部分太阳辐射，又可阻挡地面长波辐射，对大气和 地表温度有一定影响；其含量多少，还直接影响到大气能见度的好坏。 （四）大气组成的变化1、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，人类社会每年排放的二氧化碳总量在过去三十年里增加了一倍，再加上大量砍伐森林，减少了绿色植物通过光合作用吸收二氧化碳的能力，大气中二氧化碳的浓度在过去三十年里增长了12。 2、氯氟烃

4、是一种人工合成的化合物，主要用于制冷剂、火箭推进剂等，到了80年代中期为止，全球氯氟烃的年消费量已达到100万吨。 3、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，排入空气中的硫、氮等氧化物不断增加。大气组成的这种变化，会产生什么影响? 成云致雨的必要条件主要成分次要成分水 汽固体杂质生物体的基本成分维持生物活动的必要物质植物光合作用的原料；对地面保温吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害成云致雨的必要条件；对地面保温大气组成主 要 作 用干洁空气O3N2O2CO2大气各成分的作用二 、大气的垂直分层 1、地球大气共分哪几层? 2、在不同纬度，对流层高度是否一样?为什么? 3、对流层和平流层

5、的气温如何随高度而变化?原因是什么? 4、对流层和平流层中，大气运动的特点是什么? 5、对流层和平流层大气与人类有何关系? 6、读图，说明电离层与人类的关系。思考下列问题大气的垂直分层对流层平流层对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；高度增加温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合上冷下热高空对流电离层高层大气电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用暖层散逸层中间层1、大量的O32、对流层的厚度及特征A）厚度：本层厚度最簿，并随纬度、季节而不同，在高纬地区平均：89km ,中纬地区平均：1012km,低纬地区平均1718km，

6、夏季大于冬季。 B）特征： 一是温度随高度的升高而降低；因为该层的热量来自于地面的长波辐射，平均气温递减率为0.65oC/100m； 二是具有强烈的对流运动；因为地面受热不均。 三是天气现象复杂多变；几乎所有的水汽、云、雨、雷、电等现象都发生在此层。 3、平流层的特征（1）气温随高度升高的分布 下层：其上界离地面约3540km，为同温层 上层：其上界离地面约5060km，为逆温层，即气温随高度的升高而降低。因为平流层上层含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太阳紫处线而增温； （2）气流以水平运动为主，逆温的存在，对流不易产生。 （3）水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。104、中间层的特征高度：平

7、流层顶至85km处。 （1）温度随高度的升高而迅速下降。因为臭氧的含量下降。 （2）空气以垂直运动为主。但由于空气稀薄，所出现的天气现象已不如对流层复杂。 （3）在80km处白天出现一个电离层。 105、暖层的特征高度：中间层至800km处 特征： （1） 空气质量小，空气稀薄，空气密度只角空气总质量的0.5%，在120km高空，空气密度小至声音都难于传播。 （2） 温度随高度升高而升高。因为所有波长小于0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气体所吸收，顶层温度可达1000度。 （3） 空气处于高度电离状态。 （4） 能反射无线电波 （5） 出现极光现象。 6.散逸层（外层）暖层顶之上因大气十分

8、稀薄，离地面远，受地球引力场约束微弱，一些高速运动的空气质点就能散逸到星际空间，所以本层称为散逸层。根据宇宙火箭探测资料，地球大气层之外，还有一层极其稀薄的电离气体，可伸展到22000 公里高度，称为地冕。这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域。从大气与地表自然环境之间关系来说，对流层具有特别重要的意义。下面将主要讨论对流层范围内的基本情况。 三 、大气的热力状况 地球表面处于大气圈、水圈和岩石圈的交互作用之中，进行着各种形式的运动过程，包括简单的机械运动和复杂的生命过程，其中大多数过程的能量直接或间接来自太阳辐射。太阳辐射透过地球的大气“外衣”到达地表，经过一系列能量转换之后，形成对地球生

9、命有深刻影响的大气热力状况。地球上的气温条件是各种生物繁殖和演化的重要条件，也是决定地球上能量和物质输送、转化的重要因素。气温的空间变化是各地理要素地域分异的根本原因之一。1、辐射的基本知识 （1）物体对辐射的吸收、反射和透射 假设投射到物体上 的总辐射为Qo，被 吸收的为Qa，被反 射的为Qr，透过的 为Qd，则根据能量守恒 原理：Qa+Qr+Qd=Qo 两边同除以Qo得： Qa/ Qo +Qr/ Qo +Qd/Qo =1 即；a+r+d=1。 物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。 黑体能将所有波长的辐射全部吸收掉的物体即a=1。（2）有关辐射的基本规律 辐射能

10、力强的物体，其吸收能力也强，黑体的吸收率最大，故它是最好的放射体； 对于同一物体，如果在温度为T时，它放射某一波长的辐射，那么在同一温度下，它也吸收同样波长的辐射； 任何物体在向四周放射能量的同时，也吸收能量； 高温物体在单位面积上放射的能量比低温物体多。斯蒂芬波尔斯曼定律：E=.T4 .=5.6710-8W（m2.K4） 、大气上界太阳辐射：（可看作黑体辐射） 太阳表面温度高达6000K左右，是炽热的气态球体。 太阳辐射短波辐射地面辐射长波辐射大气的热力作用1、大气对太阳辐射的削弱作用2、大气的保温效应太阳辐射光谱太阳辐射中辐射按波长的分布，称为太阳辐射光谱。从太阳辐射光谱图中得出什么规律？

11、2 太阳辐射 太阳辐射光谱和太阳常数 （1）波长过短或过长所负荷的辐射能量都很少； （2）大气上界太阳辐射光谱在0.15um的范围； 太阳辐射中99%的能量在0.154um的范围，其中 0.40.76um为可见光区，0.76um的为红外区，0.4um为紫外区。（3） 太阳辐射能主要分布在可见光区和红外光区，其中，可见光占太阳辐射总能量的50%，并以0.47um附近最强，红外区占43%；紫外区的太阳辐射能很少，只占7%。太阳常数在大气上界，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1min内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数。1370W/m2。三、大气对太阳辐射的削弱作用1、吸收作用O3吸收紫外线CO2、水

12、汽吸收红外线特点：具有选择性2、反射作用云层、尘埃特点：无选择性3、散射作用空气分子和微小尘埃：具有选择性大颗粒的尘埃及水滴：则无选择性大气的吸收作用有何特点？散射类型1）分子散射：太阳辐射遇到比其波长小的空气分子时发生的散射，辐射击的波长愈短，散射得愈强。因此当太阳辐射通过大气时，由于分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多，雨后天晴，天空呈青蓝色，就是因为太阳辐射中青蓝色光波长较短，容易被大气散的缘故。分子散射的另一特点是：质点散射对于其光学特性来说是对称的球形。2）粗粒散射：太阳辐射遇到悬浮在空气中的尘埃、烟尘、水滴等比光的波长尺度大的粗粒时，散辐就失去了对称的形式，粗粒散射是没有选择性

13、的，即辐射的各种波长都同样地散射。太阳大气上界到达地面的太阳辐射大气吸收19%大气和地面反射、散射34%地面吸收47%L1S1S2L2QQ大 气 上 界Q1Q2地球直射Q1QQ2Q大气的削弱作用L1Q2S1影响太阳辐射强度因素太 阳高度角高度角大强度大大气状况云量少厚度小随纬度变化随季节变化低纬夏季削弱少四、 大气的保温效应1、地面辐射 是大气的主要热源，地面辐射绝大部分（约有7595%）被大气中的云、雾、水汽和二氧化碳等吸收，只有波长为8.412um的部分，可穿过大气层进入宇宙空间，故称此波段为“大气窗”。 2、大气辐射 （1）大气靠吸收（其吸收具有选择性）地面长波辐射而增温。 1）水汽：对

14、地面长波辐射的吸收最明显，可吸收58.5um,18um红外区范围的太阳光； 2）二氧化碳：吸收波段有4.3um,14.7um,尤其是在14.7um为中心的吸收带范围很广； 太阳地面大气大气逆辐射地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身的温度向外辐射。由于地面和大气的温度比太阳低得多，因而地面和大气辐射的电磁波长比太阳辐射波长得多，其能量集中在3120 微米的红外范围内。故习惯上称太阳辐射为短波辐射，地面和大气辐射为长波辐射。 据估计，约有7595的地面长波辐射被大气吸收，用于大气增温，只有极少部分穿透大气散失到宇宙空间。由此可见，地面是大气第二热源。气温变化必然受到地面性质的影响。地面长波辐射几乎

15、全被近地面4050 米厚的大气层所吸收。低层空气吸收的热量又以辐射、对流等方式传递到较高一层。这是对流层气温随高度增加而降低的重要原因。 地面辐射的方向是向上的，而大气辐射方向既有向上的，也有向下的。向下的部分称大气逆辐射。逆辐射可减少地面因长波辐射而损失的热量。这对地球表面的热量平衡具有重要意义。它使太阳短波辐射易于达到地面，地面长波辐射却不容易散失到宇宙空间，从而对大气起保温作用，使地面温度变化不致过于剧烈。这种作用称大气花房效应。四、大气对地面的保温作用1、地面辐射地面辐射是大气的直接热源长波辐射2、大气辐射长波辐射3、大气对地面的保温作用地面辐射大气吸收大气逆辐射大气强烈吸收地面辐射，

16、将能量贮存于大气中， 不致使地面辐射的能量散失大气辐射的大部分能量又射向地面，在一定程 度上补偿了地面辐射的部分损失什么是大气的直接热源？地面吸收大气吸收地面增温地面辐射大气吸收射向宇宙空 间射向宇宙空 间大气辐射射向地面大气对地面的保温作用“太阳暖大地”“大地暖大气”“大气还大地”大气增温ABCDEGHF大气对太阳辐射的削弱作用短波辐射长波辐射太阳辐射到达地面太阳辐射大气吸收太阳辐射地面辐射大气吸收地面辐射射向宇宙地面辐射射向宇宙大气辐射大气逆辐射小结太阳辐射大气吸收作用反射作用散射作用削弱作用地面地面辐射大气逆辐射保温作用直接热源直接热源通过计算，如果没有大气，地表的平均温度为-230C，

17、实际为150C，也就是说，由于大气的保温作用，使地表温度升高了380C。没有月球的大气有大气的地球的情况大气上界 资料：月球表面，白天在太阳直射的地方，温度可达 1270C，夜晚则降到-1830C，这是生活在地球上的人类 无法想象的。而地球的昼夜温差要小得多。试用大气的作用加以解释：绘图练习（自选其一，可加文字说明）1、图示大气对太阳辐射的削弱作用2、图示大气对地面的保温作用3、图示晴天与阴天的昼夜温差大气吸收大气反射太阳大气上界大气对太阳辐射的削弱作用到达地面的太阳辐射大气散射太阳辐射地面辐射玻璃温室大气作用-保温作用昼夜（1）白天多云时，由于云层对太阳辐射的 作用增强，到达地面的太阳辐射强度 ， 所以地面温度比晴天 。（2）夜间多云时，由于云层 地面长波辐射， 并使大气 作用增强，补偿了地面 辐射损失的热量，所以地面温度比晴天 。晴天与阴天的昼夜温差晴天阴天反