地球环境的基本特征大气圈课件

1、第三章 地球环境的基本特征环境科学基础课程1第一节、 大气圈第二节、 水 圈第三节、 土壤圈第四节、 生物圈第二章 地球与地理环境的发展2第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构二、大气运动三、物质输移四、能量传输五、气候分异规律3第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构 由于地球引力作用，大气密度随高度的增加逐渐减小，到大气上界，逐渐过渡为星际气体密度。 从地面到高空，不仅大气的密度、成分不同，大气的温度也存在着明显的变化。地球大气在垂直方向上形成三个相对的暖层和两个相对的冷层。大气圈结构4第三章 环境伦

2、理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构大气圈结构5第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构对流层平流层中间层暖层散逸层6第一节、大气圈7第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构厚度最簿，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，夏季大于冬季。特点：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；具有强烈的对流运动；因为地面受热不均。天气现象复杂多变；几乎所有的水汽

3、、云、雨、雷、电等现象都发生在此层。 对流层8第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构平流层（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升高。平流层上层含有大量的臭氧，臭氧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。9第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构中间层高度：平流层顶至85km处。（1）温度随高度的升高而迅速下降。（2）空气

4、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。10第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构暖层高度：中间层至800km处（1） 空气质量小，空气稀薄，空气密度只占空气总质量的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。11第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈

5、的组成与结构散逸层高度：800km以上（1）空气极其稀薄（2）温度随高度升高而升高。12第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构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O3N2O2CO213第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构分子量主要气体成分空气中的含量/按体积平均滞留期/ 年氮（N2）氧（O2）氩（Ar）二氧化碳（CO2

6、）臭氧（O3）甲烷（CH4）水汽（H2O）78.0820.950.930.03（可变）0.000001（可变）0.000165可变10610410915？710天28.0232.0039.9444.0048.0016.0418大气气体的主要成分及含量14第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构主要成分： 地球表面的大气主要由氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）等气体组成，氮气和氧气约占了整个大气总体积的99%以上，加上氩（Ar），三者约占99.96%。微量成分：次要成分，浓度在10-3mL/L到1%之间，主要是CO2、水汽、CH4、N2O、SO2、CO

7、、H2、NH3及惰性气体氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）等。 痕量成分：其浓度在10-3mL/L以下，主要是H2S、NMHC（非甲烷类烃）、O3（臭氧）、NO2、NO、OH、H2O2等。15第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构CO2是大气中的可变成分之一。它主要来自火山喷发、动植物的呼吸以及人类活动等。CO2对太阳辐射的吸收虽然很少，但它能强烈吸收地面长波辐射，从而使低层大气变暖；同时，它能向周围及地面放射长波辐射，对大气和地表温度有明显的“温室”作用。CO216第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结

8、构大气重要的可变成分和微量成分之一。主要是由于氧分子在太阳辐射下，通过光化学作用，分解为氧原子后再与另外的氧分子结合而形成的。臭氧能强烈地吸收太阳紫外辐射（几乎能吸收0.20.3m波段的全部太阳紫外辐射），使大气温度升高。在大气温度的垂直结构上，平流层形成了一个暖区，同时，使地面上的生物能够免受过多的太阳紫外辐射的伤害。 O317第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构水汽含量的时空分布极不均匀，主要集中在大气的低层，以夏季和低纬地区（热带沙漠地区除外）为最多。水汽含量在天气和气候的形成和演变中担当着非常重要的角色，可通过水相变和水循环、以及伴随的潜

9、热转换，把大气圈、生物圈和地球表面紧密地联系起来。此外，水汽也能强烈地吸收地面辐射，同时它又向周围空气和地面放射长波辐射，在水相变化中又能吸收或放出热量，这些都对地面和空气的温度有一定的影响。水汽18第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构污染气体主要有二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、氟化氢、氮氧化物、氨上千种。大气污染物在大气中达到一定浓度，而对人类的生产和健康造成直接或间接危害时称大气污染。直接污染：因污染物性质、浓度、时间等因素造成危害的污染物，如粉尘微粒、硫化物、氮化物、氧化物、卤化物（氯化氢、氟化氢）。间接污染：污染

10、物与大气正常成份发生反应形成新的污染物或污染物发生光化学反应形成的新污染物。 19第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构大气成分的垂直分布大气成分随高度的垂直分布，在低层（90 km以下）基本保持不变，再往上空，大气成分则有所改变。原因在于：在低层，大气的所有气体成分，随着大气的湍流运动，彼此间能够充分扩散，从地面开始，向上直到90 km处，干洁空气主要成分的比例基本保持不变（除CO2、水汽、O3和污染气体外），以致干洁空气可以看成分子量为28.97的单一气体；而90 km以上，大气中的N2和O2由于吸收太阳辐射中波长较短的辐射，分子离解为原子，同

11、时发生电离，原子和离子数量增加，因此大气成分发生了改变。20第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构大气O3的垂直分布臭氧的浓度随高度的分布，具有不连续或突变现象。大气中O3主要存在于1050 km的大气层中，绝大部分集中在平流层，对流层只占了10%左右。近地面层臭氧含量少，从10 km高度开始增加，到2030 km高度浓度达到最大值，称为“臭氧层”，再往上逐渐减少，到50Km以上就极少了。这是由于不同高度上O3的形成条件不同造成的。 据观测，大气中CH4的增加将引起对流层O2的增加，而N2O和CFCs的增加将引起平流层O3的减少。21第三章 环境伦

12、理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈一、大气圈的组成与结构大气随纬度和季节的变化不同纬度、不同季节对流作用的强弱不同，使对流层大气厚度随纬度和季节的不同存在着明显的变化：低纬厚、高纬薄；夏季厚、冬季薄。大气中的许多成分，随着时间和空间的改变，其浓度也会发生明显的变化。其中，二氧化碳、臭氧以及水汽等的含量虽然极少，但随着纬度和季节的改变，它们的含量变化十分显著，对大气温度的分布及人类的影响较大。其中以水汽和臭氧最为重要。22第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 大气时刻不停地运动着。就规模而言，既有对全球产生影响的大规模的全球性运动，也有对局

13、地地区产生影响的小尺度的局地运动。这种不同规模的大气运动状态，称为大气环流。大气运动最直接的原因是大气压的时空分布和变化，尤其是水平气压梯度力的存在和变化。大气运动的最直接的结果是使地球上的物质能量得以传输。 23第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动由于地表受热不均，引起了气压的空间分布不均。气压分布的不均匀程度常用气压梯度（GN）表示。 气压是指单位面积上所承受的大气柱的重量，常用百帕作为气压单位。气压梯度是一个向量，方向是垂直于等压面，由高压指向低压；大小等于两等压面间的气压差（P）除以其间的垂直距离（N），即 GNP/ N 式中，GN为气压梯度，

14、它有水平梯度和垂直梯度之分，由于N是从高压指向低压，P为负值，故P/N前加负号水平气压梯度力24第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使着空气沿着和气压梯度相同的方向移动的力，它是促使空气从静止到运动的原动力。空气的水平运动称为风。风向不是指空气运动的指向，而是空气来源的方向。水平气压梯度力25第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动水平气压梯度力（百帕）100010051010a. 垂直于等压线b .由高压指向低压c.大小：等于单位距离上的气压差：等压线愈密，水平气压

15、梯度愈大。 水平气压梯度力26第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动地转偏向力 由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏转。在北半球运动物体向右偏转，在南半球则向左偏转。导致地球表面运动物体方向偏转的力，叫做地转偏向。 地转偏向力具有以下几个特点：（1）只改变物体的运动方向，不改变物体的运动速度；（2）作用方向总是与物体的运动方向垂直；（3）力的大小与物体运动的线速度成正比；（4）力的大小与纬度的正弦成正比，在赤道处为零，向两极地区逐步增大。27第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征在气压梯度力和地转偏向力共同作用下的风（北半球高

16、空）气压梯度力地转偏向力风向气压梯度力地转偏向力风向28第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动水平气压梯度力 由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏转。在北半球运动物体向右偏转，在南半球则向左偏转。导致地球表面运动物体方向偏转的力，叫做地转偏向。 地转偏向力具有以下几个特点：（1）这个力只改变物体的运动方向，不改变物体的运动速度；（2）这个力的作用方向总是与物体的运动方向垂直；（3）这个力的大小与物体运动的线速度成正比；（4）这个力的大小与纬度的正弦成正比，在赤道处为零，向两极地区逐步增大。29第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的

17、特征第一节、大气圈二 、大气的运动 大气的辐合：大气在气压梯度力的作用下，在低压中心附近，大气由周围向中心集中。大气的辐散：大气在气压梯度力的作用下，由高压区流向低压区。在高压中心附近，大气向周围流动。气旋、反气旋：旋转着的向低压中心辅合的大气系统叫做气旋，旋转着的由高压中心向外辅散的大气系统叫做反气旋。由于受地转偏向力的作用，气旋、反气旋旋转的方向正好相反。30第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 由于地转偏向力的作用，大气的辐合与辐散形成了气旋、反气旋。气旋指呈螺旋状向内旋转运动的大气，反之呈螺旋状向外旋转运动的大气叫做反气旋。由于地转偏向力的作用

18、方向在南北半球相反，因此气旋与反气旋在南北半球旋转的方向相反。气 旋反气旋31第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈三 、大气的运动大气的辐合、辐散与气旋、反气旋的关系及其在空间的联系如图所示：气旋对应于大气辐合，反气旋对应于大气辐散；地面辐合则高空辐散，高空辐合则地面辐散。辐散、反气旋辐合、气旋辐散、反气旋辐合、气旋对流层顶近地面32第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 在太阳辐射、地球自转、地表面性质以及地面摩擦的共同作用，使得大气圈内的空气产生了不同规模的三维运动，总称为大气环流。 大气环流是形成全球各种天气、气候的主要因

19、素。太阳辐射是大气环流的原动力。 由于作用于空气的各作用力大小的不同，形成了各种尺度的环流：有全球性气温和气压差异形成的行星风系、巨大的海陆差异产生的季风环流等大型环流；也有由于局地的水陆、地形差异形成的小型环流，如海陆风、山谷风等各种地方性风系。 33第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动太阳系中的任何行星只要它周围包围着气圈，都有环流现象发生，发生在行星上的总的大气环流现象称为行星风系。 （一）行星风系34第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈单圈环流二 、大气的运动 在太阳辐射的直接加热作用下，地球高低纬度之间形成了从赤道向

20、两极的温度梯度，结果使低纬赤道地区的大气不断增温而膨胀上升；而极地大气因不断冷却而收缩下沉。为保持静力平衡，上层大气必然出现向极地的气压梯度，气流由赤道流向极地；低层则出现指向赤道的气压梯度，气流由极地流向赤道。假设地球表面性质均一且地球不自转，那么，在赤道和极地之间就形成了一个单一的闭合的直接热力环流圈。35第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈三圈环流二 、大气的运动 空气一旦开始运动,地转偏向力就随之发生作用.正是由于地转偏向力的存在,就不可能存在一个单一的闭合的热力环流,而在全球近地面气层形成了赤道低压带、副热带高压带、副极地低压带、极地高压带。36第三章 环境

21、伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、大气环流 行星风系赤道无风带信风带信风带西风带西风带极地东风带极地东风带信风环流信风环流西风环流西风环流极地环流极地环流副热带无风带副热带无风带咆哮40度37第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 大范围区域盛行风随季节变化而发生有规律改变的现象，称为季风。季风的形成与多种因素有关，最主要的是由于海陆间热力性质的差异造成的，其次是由于行星风系的季节移动而形成的。（二）季风38第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、大气环流 （二）季风北半球夏季（7月）39第三章 环境伦理

22、学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、大气环流 （二）季风北半球冬季（1月）40第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 （三）局地环流 行星风系和季风是在大范围气压场控制下的大气环流。由于局部环境的影响，如地表受热的不均、地形的起伏以及人类的活动等引起的小范围气流运动，称为局地环流，例如，海陆风、高原季风、山谷风等地方性风系。局地环流虽然不能改变大范围气流运行的总趋势，但对小范围地区的气候却有着不可忽视的影响。 41第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 （三）局地环流 海陆风是指发生在沿海地区的、白

23、天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期的周期性风系。它也是由于海陆的热力性质的差异引起的，但影响的范围仅限于沿海地区。在沿海地区，白天，陆地增温快，陆面气温高于海面，近地面空气上升形成低压，气流从海洋流向陆地，形成海风；夜间相反，陆地降温快，陆面气温低于海面，形成陆风。 海陆风对沿海地区的天气和气候有着明显的影响：白天，海风携带着海洋水汽输向大陆沿岸，使沿海地区多雾多低云，降水量增多，同时还调节了沿海地区的温度，使夏季不致过于炎热，冬季不过于寒冷。海陆风42第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 （三）局地环流海陆风海风陆风43第三章 环境伦理学基本内容第三

24、章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动（三）局地环流高原季风高耸挺拔的大高原，由于它与周围自由大气的热力差异所形成的冬夏相反的盛行风系，称为高原季风。以青藏高原季风最为典型。冬季高原面上出现冷高压，气流从高原向四周流动；夏季高原面上出现热低压，气流从四周流向高原。 44第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动（三）局地环流山谷风 在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷地，以一日为周期的周期性风系，称为山谷风（见下图）。白天，因为山坡上的空气比同高度的自由大气增温强烈，空气从谷地沿坡向上爬升，形成谷风；夜间由于山坡辐射冷却，冷空气沿坡下滑，从

25、山坡流入谷地，形成山风。45第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动（三）局地环流城市热岛 城市人口集中，工业发达，居民生活、工业生产及交通工具每天释放出大量的人为热，导致城市热力过程的总效应为：城市的温度一般高于周围的郊区和农村，城市尤如一个温暖的岛屿，称为“城市热岛”。这主要是城市上空通过乱流扩散从暖的建筑物得到显热，并且吸收城市表面和污染层放出的长波辐射的结果。由于热岛效应的存在，城市的年平均温度要比郊区高0.51。46第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈二 、大气的运动 （三）局地环流城市热岛47第三章 环境伦理学基本内容

26、第三章 地球环境的特征第一节、大气圈三 、物质迁移由地表产生的大气成分排放到大气中后，便会随大气运动在三维空间输送，这些物质常常在水平和垂直方向上发生扩散和传输，即物质的输移。不同物质的输移条件、输移方式和输移结果各不相同，以水汽、CO2 、气溶胶等物质的输移对天气、气候环境的影响最为显著。 48第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈三 、物质迁移垂直传输；大气中的水汽主要从地表获得，因而在源地附近（近地面）水汽含量最多，随着大气垂直方向的对流和湍流作用，低层的水汽不断地向较高层的大气扩散输送。当水汽输送到一定高度后，空气因冷却达到饱和，水汽会发生凝结，形成云和降水。随

27、着扩散能力的减弱，越往高空，水汽含量越少。水汽输移49第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈三 、物质迁移水平传输：高低纬间输送；就全球来说，副热带地区蒸发量大于降水量，大气中水汽有盈余；而赤道和中纬度地区降水量大于蒸发量，水汽有亏损。因此，为了维持特定纬圈内的水平衡，产生了水汽的经向输送海陆间输送）。经向输送：全球水汽的经向输送，一个显著的特点是以副热带高压为中心，水汽分别向南和向北输送，并通过大气环流来实现。 水汽输移50第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈三 、物质迁移大气中二氧化碳主要通过陆地和海洋中有机体的生命活动、有机物的腐烂和化石

28、燃料的燃烧进入大气，它们不均匀地分布在大气的低层，随着湍流运动，CO2从源区向四周及上层大气扩散输移。就全球而言，全年从低纬向高纬有少量CO2的净输送，以维持空气中含量的平衡。 CO2输移51第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈三 、物质迁移大气中气溶胶物质越接近地面浓度越大，且越不均匀。源地附近浓度大，逐渐向四周及上空扩散输移。较大的颗粒很快沉降回地表或被降水冲掉，但细小的颗粒则可到达平流层，在平流层中维持13年，成为大气的“背景”。 气溶胶输移52第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、能量流动大气能量的交换与传输，主要通过辐射、对流、

29、湍流等方式实现的。其中对流、湍流方式中伴随着两种输热过程： 一是通过暖空气上升或冷暖空气混合进行的直接的能量传输，称为显热传输； 二是水在蒸发或凝结过程中的吸热或放热所进行的间接的热量传输，称为潜热传输。 53第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、能量流动54第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、能量流动全球大气能量的输送以水平方向上的显热和潜热输送为最主要，输送量的大小直接与温度梯度有关，温度梯度越大，形成的环流越强，输送的热能越多。水平方向的输送主要有从赤道向极地（高低纬间）的输送和海陆间的输送。 55第三章 环境伦理学基本内容第

30、三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、能量流动高低纬间的传输：主要依靠全球性的大气环流（显热和潜热）及洋流来实现的。海陆间的传输：冬季，海洋是热源，大陆是冷源，热量从海洋输向大陆。越近海洋，输热越多，气温越高。高低空之间的传输：在对流层中，由于空气的对流，高低空之间也在进行着能量的传输。56第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈四 、能量流动热量输送和地球上的热量平衡 由赤道向极地的高低纬之间的热量传输，主要依靠全球性的大气环流（显热和潜热）及洋流来实现的，并随纬度和季节而异。从纬度看，全球能量的输送是从南北纬35o之间的辐射差额正值区向纬度高于35o的负值区输送，就平均而言，输送量以纬度40o附近为最大值。57第三章 环境伦理学基本内容第三章 地球环境的特征第一节、大气圈五 、气候分异规律自然环境的地域分异规律很大程度上依赖于气候的地域分异。气候反映的是气温、降水等各种气象要素长期的平均统计特征。由于各地接受的太阳辐射量不同，大气环流状况及下垫面性质也各不相同，造成了不同地区的气候差异显著。其中，太阳辐射和大气环流具有明显的地带性和周期性，下垫面因子则带有明显的非地带性特