地概二-概论第5章大气圈

5.1大气圈的结构、成分及运动特征5.2风的作用5.3荒漠化过程及对策第五章大气圈大气圈：是包围地球的气体圈层，其厚度在几万千米以上，总质量估计在5.27×1015吨左右。在地球万有引力作用下，大气圈在地面处密度最大，向外逐渐变得稀薄，并逐渐过渡为宇宙气体，因此，大气圈没有明确外界。5.1大气的成分、结构

及运动特征低层大气成分百分比5.1.1大气的成分大气主要成分是氮和氧，二者所占大气比例在99％以上。氮是植物制造蛋白质的主要原料，氧是生物能量的主要来源，对生命具有重要意义。二氧化碳是一种温室气体，对调节地球表层温度起到关键作用，主要来源于地球内部析气（火山、地裂缝等）、生物呼吸、有机质燃烧等。臭氧主要分布在离地面20－35千米的平流层中。臭氧是氧分子受到紫外线辐射后分解成氧原子，大部分氧原子很快又结合成O2，部分氧原子与氧分子结合成O3。由于臭氧吸收了太阳辐射中的大量紫外线，构成了地球的一道保护层。大气中还有其它一些组分：H2、CO、SO2、N2O、NO2、NO、Kr、Xe、Rn等，其含量都很低。在人口比较稠密的地区或工业区CO2、CO、SO2、NO2、NO含量相对较高，是污染大气的主要成分。在低层大气中还含有数量不等的可吸入颗粒物(PM10)、可入肺颗粒物(PM2.5)主要来自岩石风化的微小颗粒、工业排放的粉尘、生物颗粒以及海水中的盐粒等。5.1.2大气的结构大气在垂直方向上分布是不均匀的，主要集中在大气圈底部，大约有50%的大气集中在5千米的高度范围以下，约75%集中在10千米以下。在2000－3000千米高空，大气的密度已接近宇宙空间的气体密度。大气的物理性质在垂向上也是不一样的，按照其特征的差异可以把大气分为若干层。极光流星外层大气电离层臭氧层热层中间层平流层对流层800805020km大气垂直分层地球大气分层结构热层(电离层)的温度、密度、压力、分子量等快速变化20-50km臭氧层大气圈最下层，平均厚度：高纬地区8～9千米，中纬地区10～12千米，低纬地区17～18千米。夏季厚度大于冬季。对流层厚度不到整个大气圈的1%，但集中了大气质量的75%，大气水汽的90%。对流层受地球表面影响最大，层内大气对流旺盛，大气中的主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹都形成在此层内。对流层中温度一般随高度升高而降低，垂直温度梯度（在垂直方向高度每变化百米时气温的变化值）平均为0.65℃/100m。对流层顶部温度降至零下几十度。对流层对人类影响最大，通常所说的大气污染就是对此层而言。对流层外层大气热层中间层平流层对流层800805020km平流层从对流层顶部以上到大约50千米左右高度为平流层。平流层中气温随高度升高初时不变，而后逐步升高到0C以上，这主要是地面辐射减少和氧及臭氧对太阳辐射吸收加热的结果。这种温度分布抑制了空气对流，所以此层内气流比较平稳，是喷气式飞机飞行的理想场所。由于平流层中水汽和尘埃含量较少，因此，没有对流层中那种剧烈的云雨天气现象。外层大气热层中间层平流层对流层800805020km中间层平流层顶以上到大约80千米的一层为中间层。中间层中气温又随高度升高而降低，其顶部温度可降至－113～－83℃。由于垂直温度梯度大，有相当强的垂直混合。该层内水汽极少，几乎没有云层出现。外层大气热层中间层平流层对流层800805020km热层中间层顶以上为热层(暖层，电离层)。该层温度随高度增高而急剧升高。由于太阳辐射中波长小于0.17m的紫外线几乎全被该层中的分子氧和原子氧吸收，且吸收的能量大部分用于气层增温，加之气层内分子稀少，热量无法通过热量传输方法传递出去，因此，热层温度达1000K以上。热层没有明显顶部，通常认为温度从增温转为等温时为热层顶部。在太阳活动宁静时，顶高约250千米，当太阳活动强烈时顶高约500-800千米。带电粒子：部分电离状态。外层大气热层中间层平流层对流层800805020km外层热层以上的大气层。为大气圈向星际空间的过渡地带。外层空气极为稀薄，温度随高度很少变化。由于外层地球引力很小，空气分子运动的自由度很大，使一些高速运动的空气质点不断向星际空间逃逸，故又称散逸层。外层大气热层中间层平流层对流层800805020km5.1.3大气环流大气圈是运动最为活跃的地球圈层，大气圈运动包括水平方向和垂直方向的运动、低层大气和高层大气的运动。大气运动使全球大气的物质能量交换、水分输送成为可能。大气运动的产生和变化由气压的空间分布及变化所决定。气压变化会引起风、环流和天气变化。气压气压指大气压强，常用观测高度到大气上界单位面积上垂直空气柱重量表示，其单位为帕斯卡，1Pa＝1N／m2。1个标准大气压＝101.325KPa。由气压定义出发，气压是随着高度减小的。晴天比阴天高、冬季比夏季高。气压随高度升高按指数律递减。垂直气压梯度比水平气压梯度约高2个数量级。风通常把空气的水平运动称为风。空气产生运动的根本原因是气压分布不均匀，即气压梯度力（单位质量空气在气压场中所受的作用力）作用下沿气压梯度力方向运动。风是矢量，有风向和风速两个要素。风向表示风的来向，地面风向用16个方位表示，每个方位各占22.5°角。例如北（N）风是指由正北往东西各11.25°角度范围内吹来的风。高空风向则用360°水平方位角表示，从北起顺时针方向量度。风速指单位时间内空气在水平方向移动的距离，单位为m/s。大气圈中大规模的、有规律的气流运动称为大气环流，包括全球性的和局部性的环流。大气环流是地球气候系统的主要因素之一，对区域性气候变化具有重大的作用。大气每时每刻都在不停地运动着，其运行是极其复杂和多变的。如果从随时随地不断变化的运行状态中对时间进行平均，就可发现大气运行具有明显规律性。进行时间平均的空间分布常被看成是全球大气大规模运动的基本状态。大气环流极地东风带盛行西风带副热带高压带信风带赤道无风带极地环流圈中纬环流圈热带环流圈大气环流图全球大气大规模运动的基本状态平均经圈环流平均纬圈环流平均纬圈环流：指东西方向的水平环流。高低空气流以纬线方向为主。低空在60～90°的高纬地区为极地东风带（北半球为东北风，南半球为东南风），随冬夏太阳位置的南北移动，东风带位置也南北移动，且冬强夏弱。30～60°的中纬地区为盛行西风带（北半球为西南风，南半球为西北风），西风带位置也随季节南北移动，冬强夏弱。在0～30°的低纬地区为信风带（北半球为东北风，南半球为东南风），但强度夏强冬弱。平均经圈环流：指南北方向的垂直剖面上的环流。与纬圈环流带对应的三个经线环流圈分别为：极地环流圈、中纬度环流圈和热带环流圈。季风（季风环流）：指在一个大范围内的随季节变化的盛行风向或气压系统。季风具有明显的季节变化，而且随着方向和气压系统的季节变化，天气系统也发生明显的变化。季风形成：主要是海陆间的热力差异。亚洲大陆：冬季为强大高压控制，冬季风主要为内陆向海洋的偏北气流；夏季为热低压控制，夏季风则主要为海洋向陆地的偏南气流，空气潮湿，多降雨。气旋气旋：指气压低于四周的水平空气涡旋，也是气压系统中的低压区，其中心气压值一般为95KPa左右，也有87KPa的最低记录（台风泰培中心气压）。气旋：可分为热带气旋和温带气旋。热带气旋温带气旋热带气旋(TropicalCyclone)：热带洋面上急速旋转的大气涡旋。发生在南北纬5～20°左右的高温（＞29～30℃）洋面上，有源源不断的能量供给，而且是南北半球信风带的辐合区，有利于暖湿空气复合上升。低于纬度5°地区海温虽高，但地转偏向力近于0，难以形成涡旋。纬度20°以上地区，地转偏向力虽更大，但海温却较低，也难以形成热带气旋。能够将热能及地球自转的角动量由赤道地区带往较高纬度；另外，也可为长时间干旱的沿海地区带来丰沛的雨水。北半球，热带气旋沿逆时针方向旋转，南半球则以顺时针旋转（科氏力作用的结果）。1998台风谢柏热带气旋强烈的辐合上升气流携带巨量水汽升腾，在上升过程中水汽降温凝结，释放出巨量的能量，驱使空气从外围以螺旋式向内加速流动，由外向中心运动速度越来越快，形成一个剧烈旋转的、近于对称的圆形涡旋。从内到外按其结构和天气状况可划分为眼区、眼壁（风眼墙）、螺旋雨带等。台风眼直径10-60km，这里天气晴好；风眼墙内对流非常强烈，其云层高度、降水强度和风力强度都是最大的。螺旋雨带是绕着热带气旋中心运动的强对流云和雷暴带，会带来狂风暴雨，而雨带之间则会较为平静。接近陆地的热带气旋会形成龙卷风。外围风力显著减弱，逐渐过渡为正常气压。我国气象部门过去把热带气旋统称为台风。1989年1月1日起国家气象局决定使用国际热带气旋的规范名称和等级标准：中心附近平均最大风力小于8级者为热带低压；8～9级者为热带风暴；10～11级者为强热带风暴；12级以上者为台风（typhoon）。发生在大西洋、墨西哥湾、加勒比海和北太平洋东部的热带气旋称为飓风（hurricane）。温带气旋：活跃在温带中纬度地区，中心气压低于四周且具有冷中心性质的近似椭圆型的一种空气涡旋，又称为“温带低气压”或“锋面气旋”。具有锋面结构，尺度一般较热带气旋大，直径可达1000～2000千米。北半球温带气旋南部以偏南气流、北部以偏北气流为主。在气旋的东部，暖湿气团爬升在北部干冷团之上，因暖气团起主导作用，暖、冷气团之间的界面为暖锋。锋面上有暖锋系，锋下方有宽广的降水区；在气旋的西部，冷空气向南移动而插在南面的暖空气之下。冷暖气团之间的界面为冷锋，锋面上有冷锋云系，锋下方降水区较窄。温带气旋在西风带都是自西向东移动的。大气降水：指从云层中降落地面的液态或固态水，有雨、雪、雹等多种形式。降水量是指降水在水平面上未经蒸发、渗流或其它损失的积聚深度，以毫米为单位。降水的形成需要云层中形成的水颗粒能够克服空气的阻力和上升气流的顶托作用，并且在降落过程中未被蒸发殆尽，才能降落地面。降水强度：指单位时间内的降水量。通常把24小时内的降水量来区分降水强度。将24小时内的降水量<10mm、10～25mm、25～50mm、50～100mm、100～200mm、>200mm分别称为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨。大气降水5.2风的作用遮天蔽日的沙尘暴美国凤凰城2013-08-262014-03-16破坏力极强的龙卷风20130319湖南道县20130320广东东莞20130320广东东莞20130322澳大利亚维多利亚州风的作用：指气流对地球表面物质的动力作用及其相关过程。主要表现：破坏地表岩石，使之破裂、粉碎、磨蚀，并把地表的松散物质搬运到其他地方沉积下来，形成特殊地貌景观。风成作用：风的作用过程的统称。小结：什么是风的作用／风成作用？思考：风成作用与风化作用的区别？吹蚀作用：由气流压力的直接作用，使地面松散岩石遭到破坏、粉碎或被吹走的作用。磨蚀作用：风夹杂着一些硬颗粒对地面岩石的破坏过程成为磨蚀作用。风的吹蚀作用和磨蚀作用通常是同时发生作用的。5.2.1风的破坏作用由于风所携带的碎屑物从地面往上颗粒逐渐变小，其磨蚀能力也是从地面往上逐渐减弱，其结果是形成一些特殊的风蚀地貌。风的磨蚀作用风蚀蘑菇风的磨蚀作用：蘑菇状地貌搬运能力：与风力的大小成正比；搬运距离：与风力和碎屑物的粒度有关；粉尘或粘土颗粒可以随大气环流搬运到地球表面任何地方——星球级的地质作用；风成碎屑物是大洋中心深海沉积的主要成分，含有机质的风成碎屑物也是浮游生物主要营养源；搬运方式：主要有滚动、跳动和悬浮等；在搬运的同时也进行着各种破坏作用。5.2.2风的搬运作用内蒙古雅不赖山口的流沙河风成堆积：由风的沉积作用所形成的堆积物，其特点是：成分：主要是长石、石英所组成的碎屑物颜色：各种各样，黄色、灰色、白色居多分选性：较好，粒度随风向展布磨圆度：较好中国西部是世界上最典型的风成堆积物6.2.3风成堆积荒漠漆：由于毛细水的大量蒸发，使铁、锰氧化物残留在荒漠表面形成荒漠漆风蚀型地貌之一——戈壁风蚀型地貌之二——雅丹6.2.4风成地貌由于风的长期作用，细小的碎屑物被风搬运到其它地方，保留砾石和一些粗碎屑，构成戈壁滩。覆盖着荒漠漆的戈壁滩雅丹在维吾尔语中的原意是“具有陡壁的小山包”。由于风的磨蚀作用，小山包的下部往往遭受较强剥蚀作用，并在重力作用下形成陡壁。雅丹地貌堆积型地貌堆积型地貌之一——沙漠新月形沙丘排状沙堤风成沙波纹撒哈拉沙漠新月形沙丘：在单向风作用下，沙粒由于风的搬运作用不断向前推进，随着风停止运动沙粒也停止运动而堆积而成。迎风坡：缓斜层理的形成可以是风的作用，也可以是流水的作用。风向改变可以形成交错层理；斜层理的特点：斜层理上部与层面斜交，下部与层面相切；交错层理：有多层不同倾斜方向的斜层理组成的岩石层理。交错层理的发育过程斜层理流向？上下层面？风成沙波纹：风成堆积物中的微地貌，如风吹起的水面涟漪！常出现在较大的平缓沙丘上。新月形沙丘的迎风坡也常出现。堆积型地貌之二——风成黄土黄土的形成：风在搬运过程中的分选作用形成的。粗的碎屑物形成沙漠；然后是细砂、粉砂，最后是黄土黄土：以SiO2(约占50%)、Al2O3(8～15%)和CaO(10%)为主，其它还有Fe2O3(4～5%)、MgO(2～3%)和K2O(2%)，有机质组分(1%)美国南达科达州的风成黄土风成地貌之三——盐土荒漠

盐土荒漠：多形成于地下水位较高区域。形成初期，盐分含量低，表聚性不明显；中期阶段，盐分已有明显表聚性，但盐壳厚度不大；高级阶段，已形成坚硬的盐壳，盐分含量很高。5.3荒漠化过程及对策5.3.1荒漠化过程荒漠化过程：是一个地域生物生产能力严重下降、生态系统贫瘠化，并引起土地载畜量、作物产量、人类健康水平严重下降的一系列不良连锁反应过程。直接表现：土地退化、荒漠扩大。正在沙化的土地全球土地荒漠化面积3600万平方千米全球陆地面积约14870万平方千米荒漠化约占24.2%中国土地荒漠化面积262.2万平方千米中国陆地面积约960万平方千米荒漠化约占27.3%中国陆地面积约占6.45%荒漠化面积约占7.3%全球荒漠化地区分布除南极大陆之外所有大陆的高度干旱地区（主要在10－45°的纬度带上）三种地区：副热带高压带控制区、内陆干旱盆地和寒流经过的沿海地区等。荒漠化过程：从风的破坏作用开始，风对地表物质的破坏、搬运和沉积，构成了荒漠化全部过程。风以惊人的准确性选择地表岩石最薄弱处进行破坏，并把细小的碎屑颗粒搬运走，堆积到特定的位置，造成破坏型荒漠和堆积型荒漠。戈壁荒漠的形成过程风的持续作用5.3.2影响荒漠化过程的因素影响荒漠化的因素比较复杂，但归根结底无非是自然因素和人为因素两大类。在自然因素中，由于地球长期的演化使地球的表层系统基本处于一种动态平衡的状态，因此，改变平衡条件是促使荒漠化进行的主要因素。荒漠化地区的地质背景则是荒漠化能否进行的基本条件。遭受强烈风化作用的地区，表面岩石疏松的地区，土壤贫瘠的地区都是荒漠化容易发生的地区。影响荒漠化过程的最主要因素：气候条件干旱气候：是荒漠化过程得以进行的最主要因素。干旱气候使荒漠化地区降水量达不到植物生长的最低要求，抑制了植物生长，造成植物生产量严重减少，使风的作用加剧，并导致荒漠化。干旱是一种在时间上渐进式、效果上累加式的破坏，干旱气候在减少降水量的同时加大了蒸发量，形成一种恶性循环。受大气环流的影响，在南北半球的副热带高压带控制区由于降水量极少，加上优势风的长期作用，在这两个地区形成了全球最大的荒漠带。撒哈拉沙漠墨西哥沙漠景观塔克拉玛干沙漠——世界上最大的流动沙漠因造山运动改变了大陆腹地的大气环流，阻隔了来自大洋的水汽，降雨量与蒸发量相比极少，干旱加剧，是容易造成荒漠化的地区。平均年降水不超过100毫米，最低只有几毫米；而平均蒸发量高达2500—3400毫米；夏季酷暑最高温度达67.2℃，昼夜温差达40℃以上美国亚利桑那州大陆内部的盆地因远离大洋而降水量很少，加上盆地效应形成干旱气候，也是容易造成荒漠化的地区。影响荒漠化过程的另一个因素：人为破坏过度放牧：荒漠化的一个重要人为因素。绝大部分牧区都是生态环境比较脆弱的地区，草原下面往往就是贫瘠的土地，一旦放牧量超过草场